綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李瑞龍

（山西焦煤集團(tuán)官地煤礦， 山西 太原 030024）

引言

液壓支架是煤礦綜采工作面安全支護(hù)的重要設(shè)備，為了減少工人數(shù)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高安全生產(chǎn)，必須利用液壓支架電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架的統(tǒng)一有序控制和動(dòng)作。但由于進(jìn)口液壓支架電壓控制系統(tǒng)存在供貨不及時(shí)、升級(jí)困難、缺乏自動(dòng)控制和自診斷功能等缺點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有液壓支架電液控制系統(tǒng)存在可靠性低、控制實(shí)時(shí)性差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)[1-3]，所以，亟待研究并開(kāi)發(fā)高可靠性、高實(shí)時(shí)性，滿(mǎn)足綜采工作面生產(chǎn)需求的液壓支架電液控制系統(tǒng)，適應(yīng)綜采工作面智能化、信息化和少人化的需求。本文以綜采工作面液壓支架為研究對(duì)象，深入研究液壓支架結(jié)構(gòu)、功能和控制工藝，提出液壓支架電液控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及人機(jī)界面顯示屏設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)液壓支架控制的智能化、少人化奠定基礎(chǔ)。

1 液壓支架控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該優(yōu)化方案更換通信能力強(qiáng)、處理速度快、響應(yīng)時(shí)間短的EPEC 3724 控制器為核心CPU，根據(jù)液壓支架控制的數(shù)字量、模擬量進(jìn)行I/O 點(diǎn)分配。優(yōu)化后的液壓支架控制器需采集的模擬量有壓力傳感器數(shù)據(jù)，具體包括每一臺(tái)液壓支架的伸縮油缸壓力、立柱升降油缸壓力、推溜油缸壓力等，輸出信號(hào)為-10～10 V 電壓信號(hào)，傳送給EPEC 3724 控制器完成模數(shù)處理。位移傳感器用于采集推溜油缸位移、立柱油缸位移，輸出信號(hào)為0～10 V 電壓信號(hào)。紅外傳感器用于定位采煤機(jī)位置，即在液壓支架橫梁中心位置安裝紅外傳感器發(fā)送單元，在采煤機(jī)機(jī)身位置安裝紅外傳感器接收單元，采煤機(jī)根據(jù)接收到的紅外傳感器信號(hào)確認(rèn)對(duì)應(yīng)的液壓支架編號(hào)，進(jìn)而確認(rèn)自身實(shí)時(shí)位置[4-6]。EPEC 3724 控制器支持PWM信號(hào)輸出，即對(duì)控制液壓支架油缸伸縮、底座抬放、護(hù)幫伸收及推溜的電磁閥直接控制，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、控制效果好。對(duì)液壓支架進(jìn)行控制時(shí)，需在人機(jī)界面上完成，EPEC 3724以CAN 總線(xiàn)通信方式將液壓支架動(dòng)作時(shí)的所有數(shù)據(jù)上傳至人機(jī)界面，同時(shí)接收人機(jī)界面的控制指令。優(yōu)化后的液壓支架控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)用于監(jiān)視、查看液壓支架運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息等。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的液壓支架控制系統(tǒng)EPEC 控制器端口地址分配如下頁(yè)表1 所示，在進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，需根據(jù)表1 地址分配完成。

表1 液壓支架控制器優(yōu)化方案EPEC 控制器端口地址統(tǒng)計(jì)

2 液壓支架控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 程序

液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件分為支架控制器主站軟件和支架控制器從站軟件兩部分，其軟件框架如下頁(yè)圖2 所示。支架控制器主站軟件主要包括通信設(shè)計(jì)、動(dòng)作設(shè)計(jì)兩部分。支架控制器主站以TCP/IP 通信模式與地面控制室進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以CAN 通信模式與支架控制器從站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)型分時(shí)復(fù)用的TCP/IP 通信方案，以解決傳統(tǒng)TCP/IP 通信方案存在的數(shù)據(jù)擁塞、碰撞現(xiàn)象，提高傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性[7-8]。對(duì)支架控制器主站傳輸?shù)姆侵芷谛詳?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的CAN 通信方案，從而解決現(xiàn)有CAN 通信方案存在的CAN 總線(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，以滿(mǎn)足CAN 通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)控制要求，支架控制器主站動(dòng)作設(shè)計(jì)主要包括鄰架控制、成組控制及遠(yuǎn)程控制。支架控制器從站軟件設(shè)計(jì)與支架控制器主站軟件設(shè)計(jì)類(lèi)似，在通信設(shè)計(jì)中，包含對(duì)傳感器等周期性數(shù)據(jù)的靜態(tài)CAN 通信方案；在動(dòng)作設(shè)計(jì)中，還包括本架推溜。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件框架

2.2 HMI 人機(jī)界面

綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案人機(jī)界面用于支架工完成對(duì)液壓支架的控制，設(shè)計(jì)有主菜單、鄰架菜單、成組菜單、推溜菜單、參數(shù)設(shè)計(jì)及錯(cuò)誤報(bào)警六個(gè)界面，如圖3 所示。EPEC 3724 控制器將液壓支架動(dòng)作時(shí)的所有數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 總線(xiàn)通信傳輸至人機(jī)界面。人機(jī)界面接收到數(shù)據(jù)按照已經(jīng)定義的CAN總線(xiàn)通信協(xié)議進(jìn)行解析并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)支架工按下控制指令后，經(jīng)CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議傳送至EPEC 3724 控制器并完成對(duì)液壓支架的控制。

圖3 綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案人機(jī)界面

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)的正確性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室完成液壓支架控制系統(tǒng)功能試驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的20 臺(tái)液壓支架控制系統(tǒng)以CAN 總線(xiàn)通信方式進(jìn)行連接，分別控制20 臺(tái)液壓支架，控制模式主要有單機(jī)控制、成組控制、鄰架控制以及自動(dòng)跟機(jī)等。同時(shí)還需試驗(yàn)驗(yàn)證壓力、位移、紅外等傳感器的信號(hào)采集、處理及邏輯控制。圖4 所示為鄰架聯(lián)動(dòng)控制時(shí)LED 顯示屏展示的液壓支架控制系統(tǒng)狀態(tài)，聯(lián)動(dòng)動(dòng)作為“降- 移- 升”，當(dāng)前采煤機(jī)運(yùn)行方向?yàn)檎颉⒘⒅鶋毫?0 MPa（200 bar）。圖5 所示為液壓支架成組控制過(guò)程，當(dāng)前執(zhí)行動(dòng)作的液壓支架架號(hào)為3。該試驗(yàn)基于CoDeSys 平臺(tái)，并結(jié)合人機(jī)界面LED 顯示完成PLC 控制器開(kāi)關(guān)量輸入、輸出點(diǎn)測(cè)試、PLC 控制器模擬量輸入輸出點(diǎn)、液壓支架鄰架控制、液壓支架成組控制、推溜動(dòng)作、急停閉鎖、參數(shù)調(diào)整及錯(cuò)誤報(bào)警測(cè)試，驗(yàn)證了所研究開(kāi)發(fā)的液壓支架電液控制系統(tǒng)的正確性。

圖4 鄰架聯(lián)動(dòng)控制

圖5 成組控制

4 結(jié)語(yǔ)

1）設(shè)計(jì)以EPEC 3724 控制器為核心的液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，給出詳細(xì)的硬件、軟件設(shè)計(jì)；

2）實(shí)現(xiàn)了液壓支架單機(jī)、成組、聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)跟機(jī)等多種控制模式，滿(mǎn)足綜采工作面液壓支架控制需求；

3）設(shè)計(jì)液壓支架控制系統(tǒng)HMI 人機(jī)界面，增強(qiáng)了液壓支架控制系統(tǒng)的可視性和可操作性。