礦用液壓支架電控系統(tǒng)的設計與應用

楊建忠

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司， 山西 大同 037036）

引言

液壓支架作為煤礦綜合性機械中最重要的采煤設備，其頂板和底板可以對工作空間的井下綜采工作面環(huán)境有效適應，不僅為電源、采煤機、輸送機等設備提供可靠的支撐結構，同時也給工作人員提供安全適合的操作空間。液壓支持系統(tǒng)可以由電液壓支架操作并對被控制面自動控制，單個操作液壓設備可以完成整個工作面的聯(lián)動響應，在一系列的動作等功能實現(xiàn)后，通信和遠程控制表面可有效實現(xiàn)[1-2]。不僅在生產(chǎn)力以及提高操作安全性的改進方面有所增強，而且還降低了工作人員的數(shù)量并改善工作保障環(huán)境。因此，研究液壓支架電控系統(tǒng)，以提升綜采工作面自動化管理水平[3]。

1 液壓支架系統(tǒng)原理

液壓支架主要通過高壓液壓油驅(qū)動支架構件而產(chǎn)生各種動作，液壓支架具有低震動、低噪聲、支撐強度高等特點，被廣大采礦企業(yè)在采煤過程中所使用。液壓支架的日常操作與各個結構類型沒有多大關系，但是與液壓支架的液壓系統(tǒng)的液壓油循環(huán)回路有較大關系。液壓支架的各個動作不復雜，并且在整個工作面支撐過程中也是進行了相同的工序，重復性較高[4]。液壓支架的每個構件的工作狀態(tài)都不一定完全相同，工作面設置有許多液壓支架，但各個液壓支架的每個動作都是獨立進行。根據(jù)系統(tǒng)指令也有可能同時產(chǎn)生動作，如果布置液壓支架較多，整個工作面就會呈現(xiàn)復雜的工作狀態(tài)。液壓支架被高壓液壓油所驅(qū)動后會產(chǎn)生降落、移架、支撐、推移輸送機以及防護等動作，在煤礦惡劣的環(huán)境中，液壓支架能夠滿足安全要求，不會產(chǎn)生電火花、劇烈震動、高噪聲，并且可以實現(xiàn)井下狹小工作面的機械化工作狀態(tài)，如圖1所示為液壓支架的工作原理。

2 液壓支架電控系統(tǒng)功能

液壓支架電控系統(tǒng)主要為克服目前人工操作控制所產(chǎn)生的缺陷，針對煤礦井下惡劣的作業(yè)環(huán)境及地層復雜性，液壓支架需針對各個工況實現(xiàn)結構機械操作以滿足采礦工作面支撐需要，能夠確保采煤機械及時地向前推進，順利地開采并運送出煤炭物料。通過對現(xiàn)場調(diào)研分析，液壓支架應滿足以下幾個機械動作，分別為：單架單動作、單架順序動作、成組動作和自動控制動作[5]。

圖1 液壓支架工作原理

1）單架單動作。單價單動作主要是指工作面上的某一個液壓支架的動作，一個液壓支架可對工作面局部的部位產(chǎn)生作用，通過后臺電控系統(tǒng)控制操作法對單個液壓支架發(fā)出指令，單架單動作主要包括深度降住臺收底座等動作。

2）單架順序動作。單價順序動作主要是指整個連排液壓支架按照預定的程序，在一定時間范圍內(nèi)完成降柱—移架—升柱系列連貫的動作，并按照一定的順序開展下去。

3）成組動作。根據(jù)采煤工作面的使用需求不同，會在相應的工作面位置安裝液壓支架，如果僅通過單個液壓支架完成動作，整個生產(chǎn)過程的效率將會降低，通過多組液壓支架的相互聯(lián)合作業(yè)及配合，將大大提高工作面的采煤效率。液壓支架的成組動作主要包括成組順序聯(lián)動、成組推溜、成組輔助采煤機噴霧等動作。

4）自動控制。為實現(xiàn)液壓支架與采煤機之間動作的相互配合，在采煤機上安裝一套紅外發(fā)射裝置，通過該裝置將采煤機的作業(yè)信號傳輸至液壓支架中，以此來完成對采煤機作業(yè)位置及作業(yè)狀態(tài)的實時定位監(jiān)控，最終實現(xiàn)液壓支架自身結構的推溜、拉架、護幫伸收等自動化操作控制。

3 液壓支架電控系統(tǒng)結構組建

3.1 整體結構

液壓支架電控系統(tǒng)的設計應滿足上述功能要求，才能有效發(fā)揮性能作用。通過對現(xiàn)場實地查勘，工作面的實際長度將最終決定液壓支架的整體布局。一般情況下將設置100臺液壓支架結構，而每個液壓支架上設置了至少8個控制信號輸入端口，以此完成對液壓支架的壓力、位移等數(shù)據(jù)進行檢測，并且進行機構運動控制才能實現(xiàn)一系列的動作。通過對國際上常采用的控制器PM4、PM31、RS20等型號進行查閱[6]，采用CAN總線控制技術，用PLC工業(yè)控制器的中央核心處理器發(fā)送指令，在煤礦企業(yè)后臺設置控制室，通過以太網(wǎng)對工作面液壓支架發(fā)出工作指令，整體結構設計如圖2所示。

CAN總線通訊技術抗干擾能力強，能夠使工作面上液壓支架的通訊傳輸減少干擾，并且每個通訊線路都是分別設置，如果出現(xiàn)故障將不影響CAN總線上其他支架控制器的通訊傳輸，并且采用本質(zhì)安全型電源箱，對于短路過載的保護性能更好。各個電氣設備均選用防爆型設備確保開采過程中的安全性。

3.2 控制器結構

PLC工業(yè)控制器將作為本次液壓支架電控裝置的中心核心部件，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，輸入信號經(jīng)過過濾、邏輯判斷對電磁閥發(fā)出指令，最終執(zhí)行命令形成對液壓支架的控制，控制器結構圖如圖3所示。

圖2 液壓支架電控系統(tǒng)整體結構示意圖

圖3 液壓支架控制器結構示意圖

由于煤礦工作環(huán)境的特殊性，可以針對一些緊急情況實現(xiàn)聲光報警，突出整個控制器的聯(lián)動功能并保障CAN總線通訊順暢，因為液壓支架電液控制器之間和液壓支架電液控制器與順槽控制主站之間的通訊是通過CAN總線建立起來的。

3.3 硬件裝置

完成液壓支架電控系統(tǒng)結構搭建，對每一個結構構成的硬件裝置進行選型，使其能夠滿足工作性能的需要，選型結果如表1所示。

表1 電控裝置硬件選型表

由于整個電控系統(tǒng)是通過CAN總線技術進行數(shù)據(jù)傳輸，采煤工作面液壓支架電控系統(tǒng)對CAN總線的要求有以下幾點：

1）CAN總線節(jié)點不得少于200個；

2）數(shù)據(jù)通信應該包括點對點和總線廣播的數(shù)據(jù)傳輸方式；

3）具有本質(zhì)安全型防爆功能；

4）CAN總線兩端節(jié)點的通信延時不超過2 s。

4 電控系統(tǒng)的試驗

根據(jù)上述硬件選型及參數(shù)設計，對電控系統(tǒng)進行安裝調(diào)試并應用于前期調(diào)試試驗。首先在實驗室里對系統(tǒng)進行測試，并使用了5個控制器進行調(diào)試，編寫軟件實現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)信息通訊暢通，保障試驗時候室內(nèi)溫度20℃左右，將液壓支架與現(xiàn)場的控制器進行正確連接，并在控制器上對液壓支架進行操作，對推溜、拉架、護幫伸收實際工況動作進行測試。在可視化顯示器前對各個參數(shù)及實時動態(tài)進行監(jiān)測，可視化顯示器內(nèi)容如下頁圖4所示。

圖4 測試頁面示意圖

測試結果顯示，設計出的液壓支架電控系統(tǒng)通訊正常，能夠及時執(zhí)行指令者傳達的各種液壓支架動作，能夠滿足現(xiàn)場實際應用，提高開采工作面的支撐效率。

5 結語

煤礦井下開采面環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復雜，采用液壓支架能有效保障開采過程中的支撐強度，確保作業(yè)人員及機械設備的安全性。目前液壓支架的電控系統(tǒng)還有待進一步完善之處，硬件選型缺乏科學性和實用性。通過設計液壓支架的硬件裝置，組成各個硬件的最優(yōu)組合，應用于液壓支架的電控系統(tǒng)。通過在現(xiàn)場實際應用結果顯示，設計出的電控裝置及其硬件選型均能滿足現(xiàn)場實際應用要求，提高了井下作業(yè)的快速反應、快速移動的工作效率，為礦井井下機械自動化設計研發(fā)提供了依據(jù)。