煤礦開采液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

張 磊

（晉能控股煤業(yè)集團燕子山礦，山西 大同 037000）

引言

目前，隨著煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展，我國越來越多的煤礦實現(xiàn)了煤礦的自動化綜采，對于提高煤礦的產(chǎn)量及效率具有重要的意義。液壓支架作為綜采工作面主要的支護設(shè)備，廣泛地分布在整個工作面上，對于液壓支架的自動化控制及煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要的作用。液壓支架在使用過程中，對工作面起到支護作用，同時與采煤機、刮板輸送機等設(shè)備進行配套動作，實現(xiàn)綜采工作面的自動化安全作業(yè)[1]。液壓支架的電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)對液壓支架的控制，完成單機動作、聯(lián)動動作等，并可與地面進行遠程通信、遠程控制不僅可以提升生產(chǎn)過程中的可靠性，減輕工作面的勞動強度，而且還可以提高煤礦開采的自動化水平。當前，我國液壓支架的自動化控制水平有限，對其控制方法研究不足[2]，針對這一問題，以PLC 為控制核心部件，針對液壓支架的電液自動化控制進行系統(tǒng)設(shè)計研究。

1 液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

液壓支架在井下的工作環(huán)境復(fù)雜，受到多種干擾因素的影響，對液壓支架的電液控制要滿足一定的技術(shù)要求。液壓支架能夠完成一定的動作功能，并可與工作面的其他設(shè)備進行聯(lián)動，并實現(xiàn)啟停、監(jiān)測等任務(wù)，控制系統(tǒng)具有一定的可靠性，保證有較高的耐沖擊性能。液壓支架電液控制系統(tǒng)采用防爆型電源[3]，具有較強的抗干擾能力，避免出現(xiàn)誤動作，系統(tǒng)可以自動根據(jù)采煤機的位置進行自我動作調(diào)節(jié)，保證開采過程的順利進行。液壓系統(tǒng)的控制采用不銹鋼整體的換向閥[4]，配置先導(dǎo)閥過濾器，保證油液的純凈及及時動作。

依據(jù)煤礦綜采的要求，液壓支架電液控制系統(tǒng)要實現(xiàn)多支架的自動及手動控制，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行在線檢測，包括對通信網(wǎng)絡(luò)的檢測及自身硬件電路的檢測，可進行在線編程，實現(xiàn)對井下工作面的監(jiān)測[5]，依據(jù)采煤機及刮板輸送機的動作實現(xiàn)自動跟機作業(yè)。當發(fā)生意外情況產(chǎn)生壓力下降時，能夠及時控制液壓支架進行補壓操作，保證煤礦支護的安全。采用PLC 作為控制器[6]，對液壓支架的自動化控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 中可以看出，液壓支架的電液控制系統(tǒng)包括控制器PLC、數(shù)據(jù)采集模塊、電磁閥組模塊、電源模塊、執(zhí)行模塊及交互顯示模塊[7]。數(shù)據(jù)采集模塊包括對立柱油缸壓力檢測的壓力傳感器、檢測油缸位移的位移傳感器、監(jiān)測采煤機位置的紅外發(fā)射器及接收器，采集到數(shù)據(jù)傳遞給主控計算機進行控制，并實現(xiàn)對采煤機的自動化跟機作業(yè)；控制系統(tǒng)的執(zhí)行系統(tǒng)通過電磁閥組的動作實現(xiàn)油缸的伸縮控制，依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)值對液壓油缸進行控制；控制系統(tǒng)采用兩組雙路直流電源供電[8]，可供液壓支架相鄰的5 組控制器使用；交互顯示模塊包括顯示器及鼠標、鍵盤等，實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示及實時的交互操作。

2 液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的部件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的硬件組成如下頁圖2 所示，主要由PLC 控制器、傳感器、電磁閥組、電源模塊等組成。可編程控制器是單臺液壓支架的控制核心，液壓支架之間通過總線進行數(shù)據(jù)傳輸[9]。數(shù)據(jù)采集模塊進行信息的采集，并由控制器上傳至上位機中，上位機通過程序控制電磁閥組的動作，實現(xiàn)對液壓油缸的控制，從而實現(xiàn)單臺液壓支架的伸縮動作，完成系統(tǒng)所需的功能[10]。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

PLC 作為工業(yè)自動控制裝置，可以在井下惡劣的環(huán)境下進行穩(wěn)定的工作，提高了對液壓支架控制的可靠性，選用井下本安防爆型的PLC 控制器，為滿足井下環(huán)境的使用需求，采用12 V 電壓的定制PLC，保證系統(tǒng)的安全。同時，在系統(tǒng)中，需要數(shù)字量24 點的輸入、14 點的輸出，模擬量4 通道的輸入，由于PLC 無法傳輸模擬量，需將傳感器的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進行傳輸，選用西門子S7-200 型PLC 控制器，并增加EM231 模擬量擴展模塊進行通信[11]。

數(shù)據(jù)采集模塊是進行控制輸入的核心，液壓支架的工作環(huán)境復(fù)雜，對傳感器的選用要適應(yīng)井下的安全及環(huán)境要求。以紅外傳感器選型為例，紅外傳感器對采煤機的位置進行數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)液壓支架的跟機自動化控制。紅外傳感器分為發(fā)生器及接收器兩部分，發(fā)射器安裝在采煤機上，接收器安裝在液壓支架上，選用GUH5-F 型紅外傳感器，在工作過程中，發(fā)射器不斷地發(fā)射紅外信號，接收器將接收到的紅外信息傳輸給控制器，從而分析采煤機的位置，確定各支架的動作[12]。紅外傳感器的工作過程如圖3 所示，發(fā)射器隨采煤機發(fā)出的信號經(jīng)液壓支架上的接收器接收后進行解碼，將采煤機的位置傳輸給液壓支架控制器，在使用過程中，對于發(fā)射器及接收器的位置要滿足一定的距離及角度的使用要求。

圖3 紅外傳感器工作過程示意圖

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

綜采工作面的不同情況及操作方式，對液壓支架控制器的工作模式具有不同的要求，主要包括主控模式、從控模式、閉鎖模式及空閑模式四種不同的工作模式，在工作過程中，依據(jù)工作面的工況進行切換。對PLC 進行變成控制可采用梯形圖、功能圖及結(jié)構(gòu)文本等控制方式，梯形圖采用邏輯關(guān)系進行編程，具有簡便、可視化的特點。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，采用梯形圖的方式進行編程操作，可提高編程控制的效率及安全性。

液壓支架的控制，一般以本架控制器控制相鄰的支架動作，從而保證工作面及操作人員的安全。液壓支架控制系統(tǒng)不斷地進行指令的讀取及下發(fā)，對于執(zhí)行系統(tǒng)的動作表現(xiàn)為液壓缸的伸縮。以液壓支架的升柱動作為例，當收到升柱指令時，控制器執(zhí)行控制指令，控制系統(tǒng)實行報警及延時保護的機制，首先啟動報警提醒裝置，延時5 s 后，升柱的電磁閥打開，液壓缸伸出，同時，液壓支架的控制系統(tǒng)接收來自傳感器的液壓缸的位移信息及壓力信息，當升柱的位移及壓力達到指令的值時，升柱的電磁閥關(guān)閉，完成一個完整的升柱動作，其流程如圖4 所示。

圖4 液壓支架升柱動作控制流程圖

3 結(jié)語

液壓支架的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)綜采自動化的重要部分，針對液壓支架的電液自動化控制，設(shè)計了采用PLC 控制器的整體控制方案，并對具體的硬件設(shè)計及選型和部分軟件的設(shè)計過程進行了分析。電液自動化控制系統(tǒng)采用PLC 作為控制核心，結(jié)合相應(yīng)的傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，通過梯形圖的形式控制電磁閥的動作，實現(xiàn)了液壓支架的自動化控制，提高了煤礦的綜采自動化水平，有利于提高煤礦的開采效率。