礦井工作面液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的研究

鄭 璐

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司晉華宮礦， 山西 大同 037003）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采的重要的支護設備，與采煤機、刮板輸送機等協(xié)同作業(yè)，完成煤炭的開采。在煤炭開采的過程中，需要對液壓支架支護狀態(tài)及位置進行實時調整[1]，由于井下作業(yè)的環(huán)境復雜且空間較狹小，進行液壓支架調整時的勞動強度大，作業(yè)效率低，對煤礦的綜合開采效率造成影響[2]。針對液壓支架在煤礦開采過程中的應用，進行電液自動化控制系統(tǒng)的設計，采用PLC 及CAN 數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)對液壓支架工作過程的自動化控制，實現(xiàn)液壓支架的無人化調整[3]，提高液壓支架的調整效率，從而保障煤礦的開采效率。

1 液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的硬件設計

對液壓支架進行自動化的整體控制，采用PLC作為控制的核心元件，工作面上每個液壓支架均設置支架控制器[4]，且依據(jù)支架的工作需求，控制器的I/O接口要大于160 個，工作電流不超過0.75 A。采用PLC 作為主控制器，液壓系統(tǒng)采用電磁換向閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制。電磁換向閥的動作靈敏度高[5]，使用過程中具有較好的可靠性，采用電磁先導換向的方式，能夠提高液壓支架控制的靈活性，并降低換向時的能耗[6]。液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的整體結構如圖1 所示，依據(jù)工作面液壓支架的數(shù)量進行布置。

圖1 液壓支架電液自動控制系統(tǒng)的整體結構示意圖

液壓支架整體控制系統(tǒng)由多個同樣的單體控制單元構成，單體控制單元的結構如圖2 所示，主要包括控制模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及電源模塊等。控制模塊以PLC 為控制器用于發(fā)送控制指令[7]，數(shù)據(jù)采集模塊對液壓支架的運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，控制模塊及數(shù)據(jù)采集模塊是控制系統(tǒng)的核心單元。數(shù)據(jù)采集模塊使用時，將壓力傳感器布置在液壓支架立柱的側壓孔位置，采集液壓缸的工作壓力，對液壓支架的支護狀態(tài)進行判斷，在液壓支架油缸的上端設置位移傳感器[8]，采集液壓缸的位移數(shù)據(jù)，對液壓支架的支護高度進行判斷。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的液壓支架的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊，控制過程中，在電控控制系統(tǒng)中設定支護壓力的臨界值，當壓力大于臨界值時，支架處于支護狀態(tài)；壓力小于臨界值時，則支架處于卸荷狀態(tài)。對液壓支架進行調控主要依據(jù)液壓支架與采煤機之間的位置關系，在采煤機上布置相應的紅外發(fā)射器設備[9]，在液壓支架上布置紅外接收設備，將接收到的紅外信號傳輸至PLC 中，從而對液壓支架與采煤機之間的位置關系進行判定，依據(jù)采煤機的運行需求控制液壓支架的動作，實現(xiàn)跟機作業(yè)的自動化控制。

圖2 單體控制單元結構示意圖

電磁閥組通過先導閥的控制，實現(xiàn)對各液壓支架單體液壓缸的動作控制，通過采集的壓力及位移數(shù)據(jù)實現(xiàn)對液壓缸動作的精確控制。為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在電源模塊中配置雙路直流電源的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的可靠控制。

2 液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的流程設計

以某工作面使用的液壓支架為例對電液自動化控制系統(tǒng)的流程進行分析，工作面所使用的采煤機長度為8 m，液壓支架件的距離為1.5 m，在采煤機的長度范圍內約有5 個液壓支架共同作業(yè)，當某時段作業(yè)至如圖3 所示的位置時，此時采煤機正對編號為14的液壓支架。此時液壓支架的動作包括15 號支架進行收護幫板、升架的聯(lián)動，1～11 號的液壓支架進行推溜運行，每個液壓支架運行的距離為0.06 m?？刂葡到y(tǒng)對液壓支架的控制包括本架的推溜、相鄰支架的單架動作、相鄰支架的聯(lián)動動作及支架成組的動作。

圖3 液壓支架成組控制流程圖

對PLC 軟件進行控制流程的設計（見圖4），包括液壓支架不同的控制動作，并在軟件中設計有故障報警單元，當液壓支架的按鈕、傳感器裝置等發(fā)生故障時，在人機界面及監(jiān)控平臺中進行故障報警，從而及時發(fā)現(xiàn)液壓支架存在的問題并及時解決，避免對液壓支架的使用造成影響。

圖4 液壓支架控制系統(tǒng)PLC 控制流程圖

3 液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)的通信設計

由于工作面上所使用的液壓支架的數(shù)量較多，在傳統(tǒng)的控制方式中，采用單個控制器進行多個液壓支架的集中控制，造成系統(tǒng)內使用的數(shù)據(jù)通信的線路較多，且控制系統(tǒng)內包含多個傳感器的設置，控制電纜的數(shù)量會非常多，由于井下工作環(huán)境的復雜性，大量的電纜出現(xiàn)故障的概率較高，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對液壓支架的運行造成影響。

在液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)中，采用CAN總線的形式進行數(shù)據(jù)通信，采用了多個控制器通信的模式，每個液壓支架上設置有獨立的PLC 控制單元，包含一定數(shù)量的數(shù)據(jù)輸出接口，與所控制的電磁閥直接相連。在控制系統(tǒng)內，設置有與各個控制器相連接的光纖，實現(xiàn)對工作面所有控制模塊的聯(lián)合控制。通過這種方式可將控制系統(tǒng)對電纜的使用量降低40%，簡化系統(tǒng)的結構，并降低鋪設電纜的成本，便于系統(tǒng)的使用及維護，可以提高控制系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性。

對液壓支架電液自動化控制系統(tǒng)進行應用，可以實現(xiàn)對礦井工作面液壓支架的無人化調整，降低作業(yè)人員的數(shù)量達到80%以上，提高液壓支架的調整效率達到70%以上，提高了液壓支架工作的可靠性，從而保證煤礦的綜合開采效率。

4 結語

液壓支架是進行煤礦開采所使用的重要的支護設備，對煤礦的開采安全具有重要的影響。開采過程中，隨著采煤機的持續(xù)作業(yè)，液壓支架要進行跟機的調整，傳統(tǒng)的液壓支架在調整過程中效率較低、穩(wěn)定性差，影響煤礦的開采效率。針對液壓支架調整過程中存在的問題，設計了液壓支架的電液自動化控制系統(tǒng)，采用PLC 作為主控制器，實現(xiàn)對液壓支架在井下的自動化調整。系統(tǒng)采用CAN 總線的形式進行數(shù)據(jù)通信，在每個液壓支架上設計有獨立的PLC 控制單元，對液壓支架的狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)精確的控制。在PLC 的控制流程中，對液壓支架的控制動作進行了分析，并設計有故障報警系統(tǒng)，對故障及時發(fā)現(xiàn)解決。采用CAN 總線的形式進行數(shù)據(jù)通信，降低了40%的電纜使用量，簡化了系統(tǒng)的結構，并降低了建設成本及故障率。電液自動化控制系統(tǒng)的應用可以大幅降低作業(yè)人員的數(shù)量，并可提高調整效率達70%以上，實現(xiàn)了液壓支架的自動化調節(jié)，保證了煤礦的高效開采。