基于PLC 的液壓支架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉卓敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)重要地位，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，煤炭資源占據(jù)一次能源的比例大約為66%[1]。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，未來社會(huì)對煤炭資源的依賴程度不會(huì)出現(xiàn)大幅度降低[2]。液壓支架是煤礦工作面中非常關(guān)鍵和重要的機(jī)械裝備，直接關(guān)乎到煤礦開采過程的安全性。隨著煤礦領(lǐng)域信息化技術(shù)水平的不斷提升，液壓支架也朝著信息化、智能化方向發(fā)展，對其電液控制系統(tǒng)的要求越來越高[3]。因?yàn)殡娨嚎刂葡到y(tǒng)的性能會(huì)對液壓支架的綜合性能產(chǎn)生決定性影響，進(jìn)而影響煤礦開采效率，甚至煤礦生產(chǎn)安全。本文在分析煤礦液壓支架實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，基于PLC 控制器設(shè)計(jì)了電液控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到工作實(shí)踐中，對于提升液壓支架性能，保障煤礦生產(chǎn)安全具有一定的意義。

1 電液控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

如圖1 所示為結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)的基于PLC 控制器的液壓支架電液控制系統(tǒng)整體方案框圖。由圖可知，系統(tǒng)分為地面和井下兩大部分，其中地面主要為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，作用是對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。井下部分主要包括防爆計(jì)算機(jī)、支架控制器以及各類傳感器，包括位移傳感器、壓力傳感器和電磁先導(dǎo)閥組。傳感器的作用是對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，為控制系統(tǒng)的工作提供數(shù)據(jù)支撐?？紤]到煤礦工作面中使用的液壓支架數(shù)量較多，所以通信方面采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以便同時(shí)對多個(gè)液壓支架進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測與控制。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)整體方案框圖

1.2 系統(tǒng)基本功能

根據(jù)現(xiàn)階段煤礦壓支架的實(shí)際使用基本要求，設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)要求能夠?qū)σ簤褐Ъ艿乃袆?dòng)作進(jìn)行控制。通過對紅外信號的采集來分析液壓支架的位置，通過位移傳感器對推移桿的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、通過壓力傳感器對前立柱和后立柱的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以此判斷液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)液壓支架操作規(guī)程中的要求，為了保證井下人員的絕對安全，操作人員不得對自身所在支架進(jìn)行操作控制，防止操作失誤引發(fā)事故?；诖?，設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)共有三種控制模式，分別為集中控制、遠(yuǎn)程控制和就地鄰架控制。集中控制是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無需人為干預(yù)，完全自動(dòng)化運(yùn)行；遠(yuǎn)程控制是指通過地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)對井下液壓支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，需依賴通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；就地鄰架控制是指在工作面中就地對鄰近的液壓支架進(jìn)行控制。另外，系統(tǒng)還具備有故障報(bào)警功能，一旦出現(xiàn)故障問題能及時(shí)提示工作人員進(jìn)行處理。

2 支架控制器主要硬件選型設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)

如下頁圖2 所示為支架控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)框圖。由圖可知，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)由不同的單元構(gòu)成，其中中央處理單元是核心部分，最小系統(tǒng)單元、基本功能單元、通信單元、驅(qū)動(dòng)單元和數(shù)據(jù)采集單元均依托于中央處理單元。最小系統(tǒng)單元是確保控制器能夠正常運(yùn)行的最基本單元，包括下載電路、晶振電路、復(fù)位電路和電源電路。通信單元的作用是實(shí)現(xiàn)控制器與外界通信，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，主要包括CAN 通信和RS-485 通信，前者主要是與井下防爆計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，后者主要是與鄰架控制器進(jìn)行通信。基本功能單元的作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與人之間的交互。主要包括人機(jī)界面、鍵盤電路、聲光報(bào)警、急停/閉鎖電路等，利用該單元可實(shí)現(xiàn)就地鄰架控制功能。信號采集電路和驅(qū)動(dòng)電路的作用分別是對液壓支架的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和實(shí)現(xiàn)液壓支架的控制。

圖2 支架控制器的主要硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PLC 控制器選型

目前PLC 控制器技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，且各項(xiàng)硬件裝置成本比較低。在充分比較不同類型PLC 控制器價(jià)格和性能的基礎(chǔ)上，最終選用的是由西門子公司研制生產(chǎn)的S7-200型PLC 控制器。該控制器中使用的CPU 型號為CPU224，正常工作時(shí)的電壓為24 V，可以利用15～30 V的電壓對其進(jìn)行供電，通過光電耦合電路進(jìn)行工作，能有效隔離外部干擾，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。CPU的功耗較低，只有10 W，空載和負(fù)載工作時(shí)的電流分別只有110 mA 和700 mA。利用傳感器檢測得到的通常為模擬量信號，需要利用A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號后，才能輸入到PLC 控制器中進(jìn)行分析與處理。但S7-200 型PLC 控制器中內(nèi)置有模擬量處理模塊，傳感器檢測得到的信號可以直接通過該接口輸入到控制器內(nèi)部，使得整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化。

3 支架控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

為了簡化軟件程序編寫難度以及方便后續(xù)使用期間的維護(hù)工作，基于模塊化思想對控制器的軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3 所示為支架控制器軟件整體結(jié)構(gòu)框圖，利用軟件可以實(shí)現(xiàn)控制器的數(shù)據(jù)采集功能、通信功能以及動(dòng)作控制功能等。針對不同功能分別進(jìn)行軟件程序編寫，并將其作為一個(gè)子程序。主程序在運(yùn)行過程中可以根據(jù)實(shí)際需要不斷地調(diào)取子程序，從而實(shí)現(xiàn)電液控制系統(tǒng)的整個(gè)功能。

圖3 支架控制器軟件整體結(jié)構(gòu)框圖

3.2 主程序

系統(tǒng)中主程序的主要作用是完成各項(xiàng)任務(wù)的調(diào)度及對各個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)取運(yùn)行?；谥袛嘤|發(fā)判斷模式運(yùn)行，通過該程序標(biāo)記相應(yīng)的標(biāo)志位或者執(zhí)行較簡單的子程序。如圖4 所示為支架控制器主程序的工作流程示意圖。由圖可知，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先對各項(xiàng)硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理，同時(shí)對硬件設(shè)置進(jìn)行配置，確保無誤以后正式運(yùn)行主程序。主程序運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)中斷時(shí)，會(huì)執(zhí)行對應(yīng)的子程序。

圖4 支架控制器主程序工作流程圖

4 應(yīng)用效果分析

將設(shè)計(jì)的基于PLC 控制器的電液控制系統(tǒng)部署到煤礦中的ZF/13000/25/38 型液壓支架工程實(shí)踐中，以驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。電液控制系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對煤礦液壓支架運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅保障了液壓支架運(yùn)行的安全性，也提升了設(shè)備運(yùn)行效率?；陔娨嚎刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)液壓支架的成組自動(dòng)化控制，大幅度降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為企業(yè)節(jié)省了很多人力成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)投入使用后煤礦企業(yè)每年節(jié)省的人力成本超過百萬元。另外，電液控制系統(tǒng)的使用有效規(guī)避了人工操作過程中的隨意性和不確定性，使液壓支架運(yùn)行過程更加規(guī)范，設(shè)備故障率大幅度降低。據(jù)現(xiàn)場人員反饋，系統(tǒng)自投入使用到結(jié)束，在配件更換、維護(hù)費(fèi)用上節(jié)省了70萬元左右。

5 結(jié)語

以煤礦中比較關(guān)鍵的液壓支架為研究對象，基于PLC 控制器對其電液控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。所得結(jié)論主要有：液壓支架電液控制系統(tǒng)分為地面和井下兩大部分，通過井下計(jì)算機(jī)、支架控制器以及井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)對液壓支架進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)集中控制、遠(yuǎn)程控制和就地臨架控制三種控制模式；支架控制器中使用的PLC 控制器型號為西門子公司研制的S7-200，具有良好的性能，完全能滿足電液控制系統(tǒng)的基本要求；系統(tǒng)軟件程序基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主程序在運(yùn)行時(shí)，可以對不同類型的子程序進(jìn)行調(diào)取，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能；將電液控制系統(tǒng)部署到液壓支架工程實(shí)踐中，進(jìn)現(xiàn)場調(diào)試和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果良好，各項(xiàng)功能都可以正常實(shí)現(xiàn)，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。