ZY12000型礦用液壓支架控制系統(tǒng)設計

岳 華

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西呂梁 033100）

0 引言

隨著國家對井下作業(yè)安全的不斷提升，目前，對液壓支架的工作安全提出了更高的使用要求。液壓支架在井下作業(yè)過程中，由于井下環(huán)境的惡劣性，加上液壓支架的長時間工作，導致現(xiàn)有的液壓支架控制系統(tǒng)在使用過程中存在系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、故障率升高等故障問題，對液壓支架的工作安全構成嚴重威脅[1-3]。加強對液壓支架控制系統(tǒng)綜合性能的提升，已成為當下液壓支架綜合性能提升重點內(nèi)容。因此，本文以ZY12000型液壓支架為研究對象，在其控制系統(tǒng)結(jié)構組成及工作原理分析為基礎，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等方面，對液壓支架支架控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)設計，并對其進行了系統(tǒng)測試研究，測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、響應速度快等特點，可在液壓支架中進行有效推廣和應用[4-6]。該研究對提升液壓支架控制系統(tǒng)的綜合性能、保證液壓支架工作安全具有重要作用。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構組成及原理分析

1.1 結(jié)構組成

在一個煤礦中，包含了多個液壓支架設備，每個液壓支架對應著一個控制系統(tǒng)，但每個控制系統(tǒng)的結(jié)構基本相同。液壓支架控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、執(zhí)行模塊、軟件控制模塊等部分組成，其結(jié)構組成框架圖如圖1所示。其中，傳感器中包含了位移傳感器、壓力傳感器等，位移傳感器主要負責對液壓支架中油缸移動位移的檢測，壓力傳感器主要負責對液壓支架中油缸工作壓力的檢測，而紅外線發(fā)射器則主要負責對液壓支架工作位置的檢測，并檢測信號發(fā)送至紅外線接收器，實現(xiàn)對液壓支架工作點的定位。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)結(jié)構組成框架圖

1.2 工作原理

整個液壓支架控制系統(tǒng)的工作原理為：通過各類傳感器，將檢測的相關數(shù)據(jù)信息通過CAN總線，傳遞至控制器中進行信息的轉(zhuǎn)換和運算處理，通過控制器，會將分析處理后的信號傳遞至液壓支架的液壓缸系統(tǒng)中，實現(xiàn)對液壓支架不同姿態(tài)的調(diào)整控制，同時，將相關數(shù)據(jù)信息傳遞至主控機上，并通過人機顯示界面進行信號的顯示，針對液壓支架作業(yè)過程中出現(xiàn)的各類故障問題，可通過顯示界面進行故障顯示，并發(fā)出相應的報警提示，由此完對整個液壓支架的系統(tǒng)控制。整套系統(tǒng)具有控制精度高、響應速度快、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠等特點，能較好地滿足液壓支架井下惡劣環(huán)境工作的控制要求[7-8]。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構組成分析

控制系統(tǒng)包括了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，而硬件系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構包括各類傳感器、PLC控制器、CAN通訊、電磁閥組、主控計算機、顯示界面、電源等組成，其結(jié)構框架圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構組成框架圖

2.2 主要傳感器的匹配設計

2.2.1 紅外傳感器的匹配設計

紅外傳感器包括了紅外發(fā)射器和紅外接收器，通過紅外發(fā)射器對液壓支架的工作位置進行檢測，并將檢測到的信號發(fā)送至紅外接收器中，實現(xiàn)對液壓支架工作位置的準確定位，以便操作人員能及時對液壓支架工作過程中產(chǎn)生的相關故障而采取解決措施。因此，選用了GUH5型紅外發(fā)射器和接收器，安裝設備安裝過程中，將發(fā)射器安裝在采煤機上，而接收器則安裝在液壓支架上，通過兩設備的信號發(fā)出和信號接收，在控制器的分析判斷基礎上，完成對液壓支架工作位置的準確定位，所選用的發(fā)生器和接收器主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 GUH5型紅外發(fā)射器及接收器主要性能參數(shù)

2.2.2 位移傳感器匹配設計

通過位移傳感器，可對液壓支架中油缸的移動位移進行檢測，并將檢測的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至控制器中進行分析和判斷，實現(xiàn)對液壓支架工推移行程的有效監(jiān)測。由此，選用了GUC1200型位移傳感器，其結(jié)構主要由移動磁環(huán)、測桿、脈沖發(fā)生器和接收器等組成，具有性能穩(wěn)定可靠、接收精度高、響應速度快等特點，該設備的主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 GUC1200位移傳感器主要性能參數(shù)

3 軟件系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括了升柱動作程序、降柱動作程序、推溜動作程序、移動支架程序、伸平和收縮程序等，因此，下面就主要的控制程序進行設計。

3.1 液壓支架升降程序的設計

液壓支架升降動作的控制，主要通過遠程方式進行動作控制。操作人員通過主控室中控制按鈕，向PLC控制器發(fā)出升降的控制命令；為保證液壓支架具有足夠的準備時間，控制程序?qū)⑦M行延時報警，5 s后停止；同時，向液壓支架的升降電磁閥發(fā)出控制命令，實現(xiàn)對液壓支架升降過程的控制，并實時讀取立柱上的工作壓力和運動行程量，當立柱上的工作壓力和運動行程達到預定閥值時，關閉電磁閥，停止液壓支架的升降動作，由此完成液壓支架的整個控制過程。在該程序設計過程中，較強的控制邏輯和合理的閥值，對精確實現(xiàn)液壓支架的控制至關重要，需根據(jù)井下的不同工況特點，進行參數(shù)閥值的實時調(diào)整。液壓支架升柱動作的控制流程如圖3所示。

圖3 液壓支架升柱動作流程簡圖

3.2 自動補壓設計

液壓支架工作過程中，保證立柱下腔內(nèi)具有足夠的工作壓力，方可使立柱升降動作達到預定狀態(tài)。但由于乳化液泵的運動距離相對較長，導致立柱下腔內(nèi)的工作壓力無法達到預定值，因此，需對其立柱下腔進行自動補壓控制。在整個補償過程中，首先啟動補償控制系統(tǒng)，采用壓力傳感器對立柱的工作壓力進行檢測和判斷，當立柱工作壓力小于預定值時，通過控制程序，執(zhí)行對立柱的自動補壓，同時，對補壓時間進行監(jiān)測，要求補壓時間不能超過10 s，當超過10 s時，則判斷為補壓失敗，并向補壓系統(tǒng)發(fā)出故障報警提示；另外，對液壓支架立柱的補壓次數(shù)也進行了限制，當補壓次數(shù)超過5次時，也會向補壓系統(tǒng)發(fā)出故障報警提示，并判斷為補壓失敗。整個補壓過程中的相關數(shù)據(jù)參數(shù)會通過CAN總線，傳輸至控制器中進行綜合分析和處理，并在顯示界面中進行實時顯示，操作人員根據(jù)實際情況作出相應的遠程調(diào)整，以此來保證液壓支架的正常作業(yè)，其自動補壓控制流程如圖4所示。

圖4 液壓支架自動補壓控制流程簡圖

4 控制系統(tǒng)測試分析

為保證所設計的控制系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)性能，能較好地滿足液壓支架的使用需求，在系統(tǒng)正式在液壓支架中應用前，對其進行了系統(tǒng)測試，其現(xiàn)場測試圖如圖5所示。通過測試可知，該控制系統(tǒng)運行一切正常，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，能對液壓支架的移動距離、液壓缸的工作壓力及工作位置等進行準確檢測和不同姿態(tài)的有效控制，并將處理后的數(shù)據(jù)信息在顯示界面上進行實時顯示，其對應的運行狀態(tài)指示燈顯示正常。同時，對控制系統(tǒng)的故障報警功能進行了模擬測試，當液壓支架的自動補壓時間超過10 s后，該系統(tǒng)發(fā)出了相應的報警提示。由此，驗證了該控制系統(tǒng)具有一定的可行性，可進一步在液壓支架中進行應用和推廣。

5 結(jié)束語

圖5 控制系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖

本文以ZY12000型液壓支架為研究對象，在控制系統(tǒng)結(jié)構組成及工作原理分析的基礎，從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等方面進行了系統(tǒng)設計，并對其進行了測試研究。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、響應速度快等特點，各項檢測數(shù)據(jù)準確，可針對液壓支架的故障問題發(fā)出相應的報警提示，能較好地滿足液壓支架井下作業(yè)的使用需求，可在液壓支架中進行有效推廣和應用。該研究對提升液壓支架控制系統(tǒng)的綜合性能、保證液壓支架工作安全具有重要作用。