礦井工作面液壓支架電液自動化控制系統的研究

鄭 璐

（晉能控股煤業集團有限公司晉華宮礦， 山西 大同 037003）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采的重要的支護設備，與采煤機、刮板輸送機等協同作業，完成煤炭的開采。在煤炭開采的過程中，需要對液壓支架支護狀態及位置進行實時調整[1]，由于井下作業的環境復雜且空間較狹小，進行液壓支架調整時的勞動強度大，作業效率低，對煤礦的綜合開采效率造成影響[2]。針對液壓支架在煤礦開采過程中的應用，進行電液自動化控制系統的設計，采用PLC 及CAN 數據總線實現對液壓支架工作過程的自動化控制，實現液壓支架的無人化調整[3]，提高液壓支架的調整效率，從而保障煤礦的開采效率。

1 液壓支架電液自動化控制系統的硬件設計

對液壓支架進行自動化的整體控制，采用PLC作為控制的核心元件，工作面上每個液壓支架均設置支架控制器[4]，且依據支架的工作需求，控制器的I/O接口要大于160 個，工作電流不超過0.75 A。采用PLC 作為主控制器，液壓系統采用電磁換向閥實現對液壓系統的控制。電磁換向閥的動作靈敏度高[5]，使用過程中具有較好的可靠性，采用電磁先導換向的方式，能夠提高液壓支架控制的靈活性，并降低換向時的能耗[6]。液壓支架電液自動化控制系統的整體結構如圖1 所示，依據工作面液壓支架的數量進行布置。

圖1 液壓支架電液自動控制系統的整體結構示意圖

液壓支架整體控制系統由多個同樣的單體控制單元構成，單體控制單元的結構如圖2 所示，主要包括控制模塊、顯示模塊、數據采集模塊及電源模塊等。控制模塊以PLC 為控制器用于發送控制指令[7]，數據采集模塊對液壓支架的運行狀態進行數據采集，控制模塊及數據采集模塊是控制系統的核心單元。數據采集模塊使用時，將壓力傳感器布置在液壓支架立柱的側壓孔位置，采集液壓缸的工作壓力，對液壓支架的支護狀態進行判斷，在液壓支架油缸的上端設置位移傳感器[8]，采集液壓缸的位移數據，對液壓支架的支護高度進行判斷。數據采集模塊將采集到的液壓支架的狀態數據傳輸至控制模塊，控制過程中，在電控控制系統中設定支護壓力的臨界值，當壓力大于臨界值時，支架處于支護狀態；壓力小于臨界值時，則支架處于卸荷狀態。對液壓支架進行調控主要依據液壓支架與采煤機之間的位置關系，在采煤機上布置相應的紅外發射器設備[9]，在液壓支架上布置紅外接收設備，將接收到的紅外信號傳輸至PLC 中，從而對液壓支架與采煤機之間的位置關系進行判定，依據采煤機的運行需求控制液壓支架的動作，實現跟機作業的自動化控制。

圖2 單體控制單元結構示意圖

電磁閥組通過先導閥的控制，實現對各液壓支架單體液壓缸的動作控制，通過采集的壓力及位移數據實現對液壓缸動作的精確控制。為保證控制系統的穩定性，在電源模塊中配置雙路直流電源的控制系統，實現控制系統的可靠控制。

2 液壓支架電液自動化控制系統的流程設計

以某工作面使用的液壓支架為例對電液自動化控制系統的流程進行分析，工作面所使用的采煤機長度為8 m，液壓支架件的距離為1.5 m，在采煤機的長度范圍內約有5 個液壓支架共同作業，當某時段作業至如圖3 所示的位置時，此時采煤機正對編號為14的液壓支架。此時液壓支架的動作包括15 號支架進行收護幫板、升架的聯動，1～11 號的液壓支架進行推溜運行，每個液壓支架運行的距離為0.06 m。控制系統對液壓支架的控制包括本架的推溜、相鄰支架的單架動作、相鄰支架的聯動動作及支架成組的動作。

圖3 液壓支架成組控制流程圖

對PLC 軟件進行控制流程的設計（見圖4），包括液壓支架不同的控制動作，并在軟件中設計有故障報警單元，當液壓支架的按鈕、傳感器裝置等發生故障時，在人機界面及監控平臺中進行故障報警，從而及時發現液壓支架存在的問題并及時解決，避免對液壓支架的使用造成影響。

圖4 液壓支架控制系統PLC 控制流程圖

3 液壓支架電液自動化控制系統的通信設計

由于工作面上所使用的液壓支架的數量較多，在傳統的控制方式中，采用單個控制器進行多個液壓支架的集中控制，造成系統內使用的數據通信的線路較多，且控制系統內包含多個傳感器的設置，控制電纜的數量會非常多，由于井下工作環境的復雜性，大量的電纜出現故障的概率較高，影響控制系統的穩定性，對液壓支架的運行造成影響。

在液壓支架電液自動化控制系統中，采用CAN總線的形式進行數據通信，采用了多個控制器通信的模式，每個液壓支架上設置有獨立的PLC 控制單元，包含一定數量的數據輸出接口，與所控制的電磁閥直接相連。在控制系統內，設置有與各個控制器相連接的光纖，實現對工作面所有控制模塊的聯合控制。通過這種方式可將控制系統對電纜的使用量降低40%，簡化系統的結構，并降低鋪設電纜的成本，便于系統的使用及維護，可以提高控制系統使用的穩定性。

對液壓支架電液自動化控制系統進行應用，可以實現對礦井工作面液壓支架的無人化調整，降低作業人員的數量達到80%以上，提高液壓支架的調整效率達到70%以上，提高了液壓支架工作的可靠性，從而保證煤礦的綜合開采效率。

4 結語

液壓支架是進行煤礦開采所使用的重要的支護設備，對煤礦的開采安全具有重要的影響。開采過程中，隨著采煤機的持續作業，液壓支架要進行跟機的調整，傳統的液壓支架在調整過程中效率較低、穩定性差，影響煤礦的開采效率。針對液壓支架調整過程中存在的問題，設計了液壓支架的電液自動化控制系統，采用PLC 作為主控制器，實現對液壓支架在井下的自動化調整。系統采用CAN 總線的形式進行數據通信，在每個液壓支架上設計有獨立的PLC 控制單元，對液壓支架的狀態信息進行數據采集，從而實現精確的控制。在PLC 的控制流程中，對液壓支架的控制動作進行了分析，并設計有故障報警系統，對故障及時發現解決。采用CAN 總線的形式進行數據通信，降低了40%的電纜使用量，簡化了系統的結構，并降低了建設成本及故障率。電液自動化控制系統的應用可以大幅降低作業人員的數量，并可提高調整效率達70%以上，實現了液壓支架的自動化調節，保證了煤礦的高效開采。