基于PLC 的液壓支架控制系統設計與應用研究

劉卓敏

（晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤炭資源在我國能源結構體系中占據重要地位，根據有關統計數據表明，煤炭資源占據一次能源的比例大約為66%[1]。隨著我國社會經濟的高速發展，未來社會對煤炭資源的依賴程度不會出現大幅度降低[2]。液壓支架是煤礦工作面中非常關鍵和重要的機械裝備，直接關乎到煤礦開采過程的安全性。隨著煤礦領域信息化技術水平的不斷提升，液壓支架也朝著信息化、智能化方向發展，對其電液控制系統的要求越來越高[3]。因為電液控制系統的性能會對液壓支架的綜合性能產生決定性影響，進而影響煤礦開采效率，甚至煤礦生產安全。本文在分析煤礦液壓支架實際情況的基礎上，基于PLC 控制器設計了電液控制系統，并將其應用到工作實踐中，對于提升液壓支架性能，保障煤礦生產安全具有一定的意義。

1 電液控制系統整體方案設計

1.1 整體方案

如圖1 所示為結合實際情況設計的基于PLC 控制器的液壓支架電液控制系統整體方案框圖。由圖可知，系統分為地面和井下兩大部分，其中地面主要為監控計算機，作用是對液壓支架的運行狀態進行監測。井下部分主要包括防爆計算機、支架控制器以及各類傳感器，包括位移傳感器、壓力傳感器和電磁先導閥組。傳感器的作用是對液壓支架的運行狀態進行檢測，為控制系統的工作提供數據支撐。考慮到煤礦工作面中使用的液壓支架數量較多，所以通信方面采用分布式網絡結構，以便同時對多個液壓支架進行自動化監測與控制。

圖1 液壓支架電液控制系統整體方案框圖

1.2 系統基本功能

根據現階段煤礦壓支架的實際使用基本要求，設計的電液控制系統要求能夠對液壓支架的所有動作進行控制。通過對紅外信號的采集來分析液壓支架的位置，通過位移傳感器對推移桿的位移數據進行采集、通過壓力傳感器對前立柱和后立柱的壓力數據進行采集，以此判斷液壓支架的運行狀態。根據液壓支架操作規程中的要求，為了保證井下人員的絕對安全，操作人員不得對自身所在支架進行操作控制，防止操作失誤引發事故。基于此，設計的電液控制系統共有三種控制模式，分別為集中控制、遠程控制和就地鄰架控制。集中控制是指系統運行時無需人為干預，完全自動化運行；遠程控制是指通過地面監控計算機對井下液壓支架進行遠程控制，需依賴通信網絡實現；就地鄰架控制是指在工作面中就地對鄰近的液壓支架進行控制。另外，系統還具備有故障報警功能，一旦出現故障問題能及時提示工作人員進行處理。

2 支架控制器主要硬件選型設計

2.1 硬件整體結構

如下頁圖2 所示為支架控制器的主要硬件結構框圖。由圖可知，整個硬件結構由不同的單元構成，其中中央處理單元是核心部分，最小系統單元、基本功能單元、通信單元、驅動單元和數據采集單元均依托于中央處理單元。最小系統單元是確保控制器能夠正常運行的最基本單元，包括下載電路、晶振電路、復位電路和電源電路。通信單元的作用是實現控制器與外界通信，以便進行數據信息交互，主要包括CAN 通信和RS-485 通信，前者主要是與井下防爆計算機進行通信，后者主要是與鄰架控制器進行通信。基本功能單元的作用是實現系統與人之間的交互。主要包括人機界面、鍵盤電路、聲光報警、急停/閉鎖電路等，利用該單元可實現就地鄰架控制功能。信號采集電路和驅動電路的作用分別是對液壓支架的狀態信息進行采集和實現液壓支架的控制。

圖2 支架控制器的主要硬件結構框圖

2.2 PLC 控制器選型

目前PLC 控制器技術已經比較成熟，在工業領域有非常廣泛的應用，且各項硬件裝置成本比較低。在充分比較不同類型PLC 控制器價格和性能的基礎上，最終選用的是由西門子公司研制生產的S7-200型PLC 控制器。該控制器中使用的CPU 型號為CPU224，正常工作時的電壓為24 V，可以利用15～30 V的電壓對其進行供電，通過光電耦合電路進行工作，能有效隔離外部干擾，提升設備運行的穩定性。CPU的功耗較低，只有10 W，空載和負載工作時的電流分別只有110 mA 和700 mA。利用傳感器檢測得到的通常為模擬量信號，需要利用A/D 轉換電路轉換成為數字量信號后，才能輸入到PLC 控制器中進行分析與處理。但S7-200 型PLC 控制器中內置有模擬量處理模塊，傳感器檢測得到的信號可以直接通過該接口輸入到控制器內部，使得整個系統的結構大大簡化。

3 支架控制器軟件設計

3.1 軟件總體結構

為了簡化軟件程序編寫難度以及方便后續使用期間的維護工作，基于模塊化思想對控制器的軟件程序進行設計。如圖3 所示為支架控制器軟件整體結構框圖，利用軟件可以實現控制器的數據采集功能、通信功能以及動作控制功能等。針對不同功能分別進行軟件程序編寫，并將其作為一個子程序。主程序在運行過程中可以根據實際需要不斷地調取子程序，從而實現電液控制系統的整個功能。

圖3 支架控制器軟件整體結構框圖

3.2 主程序

系統中主程序的主要作用是完成各項任務的調度及對各個子程序進行調取運行。基于中斷觸發判斷模式運行，通過該程序標記相應的標志位或者執行較簡單的子程序。如圖4 所示為支架控制器主程序的工作流程示意圖。由圖可知，系統開始運行后，首先對各項硬件設施進行初始化處理，同時對硬件設置進行配置，確保無誤以后正式運行主程序。主程序運行過程中，當出現中斷時，會執行對應的子程序。

圖4 支架控制器主程序工作流程圖

4 應用效果分析

將設計的基于PLC 控制器的電液控制系統部署到煤礦中的ZF/13000/25/38 型液壓支架工程實踐中，以驗證系統運行的穩定性和可靠性。電液控制系統的成功實踐應用，實現了對煤礦液壓支架運行狀態的實時監控，不僅保障了液壓支架運行的安全性，也提升了設備運行效率。基于電液控制系統可以實現液壓支架的成組自動化控制，大幅度降低了工人的勞動強度，為企業節省了很多人力成本。據統計，系統投入使用后煤礦企業每年節省的人力成本超過百萬元。另外，電液控制系統的使用有效規避了人工操作過程中的隨意性和不確定性，使液壓支架運行過程更加規范，設備故障率大幅度降低。據現場人員反饋，系統自投入使用到結束，在配件更換、維護費用上節省了70萬元左右。

5 結語

以煤礦中比較關鍵的液壓支架為研究對象，基于PLC 控制器對其電液控制系統進行了設計與研究。所得結論主要有：液壓支架電液控制系統分為地面和井下兩大部分，通過井下計算機、支架控制器以及井上監控計算機對液壓支架進行控制，可以實現集中控制、遠程控制和就地臨架控制三種控制模式；支架控制器中使用的PLC 控制器型號為西門子公司研制的S7-200，具有良好的性能，完全能滿足電液控制系統的基本要求；系統軟件程序基于模塊化思想進行設計，主程序在運行時，可以對不同類型的子程序進行調取，從而實現整個系統的功能；將電液控制系統部署到液壓支架工程實踐中，進現場調試和應用發現效果良好，各項功能都可以正常實現，為企業創造了良好的安全和經濟效益。