李亞飛

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城048006）

引言

電液控制系統(tǒng)在煤炭開(kāi)采工作面液壓支架中的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)煤炭智能開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化流程作業(yè)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率、提高安全生產(chǎn)的重要方法。煤炭開(kāi)采工作面液壓支架的電液控制系統(tǒng)通過(guò)主控元件、傳感系統(tǒng)與執(zhí)行元件之間的數(shù)據(jù)通訊，完成采煤機(jī)位置檢測(cè)、支護(hù)壓力檢測(cè)、自動(dòng)跟機(jī)以及液壓支架的成組自動(dòng)控制、鄰架自動(dòng)控制、本架單動(dòng)作控制、鄰架單動(dòng)作控制等功能，同時(shí)通過(guò)儲(chǔ)存器和顯示器完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、回放以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。但目前液壓支架的電液控制系統(tǒng)存在可靠性差、同步性差、通訊協(xié)議不統(tǒng)一、維修升級(jí)困難等問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)際工作情況設(shè)計(jì)一套液壓支架的智能控制系統(tǒng)，具體如下。

1 液壓支架電液控制總體方案

1）確定整個(gè)系統(tǒng)的控制策略，選定傳感器、控制器、電源、電磁閥、耦合器等硬件設(shè)備，同時(shí)給出技術(shù)指標(biāo)。

2）設(shè)計(jì)硬件連接電路，包括主控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)傳輸電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等。

3）設(shè)計(jì)控制軟件，包括初始化、主程序、子程序、傳感器采樣程序、開(kāi)關(guān)量控制、模擬量輸出等。

2 硬件的選擇及其功能

2.1 控制器的選擇及其優(yōu)點(diǎn)

該設(shè)計(jì)采用C8051F0020芯片作為主要控制元件，是一款高性能處理器，它具有高速處理指令的能力、豐富的中斷端口、靈活的可編程計(jì)數(shù)列陣、多類型串行總線端口以及全速在線調(diào)試功能，可以完成復(fù)雜工況的智能控制工作。

在煤礦綜采工作面施工過(guò)程中需要多個(gè)液壓支架和液壓支架組進(jìn)行有序的動(dòng)作才能保證開(kāi)采的高效和安全。首先將支架連接到耦合器，然后通過(guò)連接器與交換機(jī)相連，再由交換機(jī)接入到井下和地面的中央控制主機(jī)，從而形成完整的智能控制通訊網(wǎng)絡(luò)。井下中央控制主機(jī)是整個(gè)電液控制系統(tǒng)的中樞，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)可以接收傳感系統(tǒng)采集的信號(hào)和參數(shù)，然后進(jìn)行分析處理產(chǎn)生控制信號(hào)傳輸給支架控制器，支架控制器直接對(duì)液壓支架的電磁先導(dǎo)閥進(jìn)行控制，在傳感系統(tǒng)和控制中心的不斷反饋和控制下，支架控制器不斷改變各個(gè)液壓支架上的電磁先導(dǎo)閥的工作狀態(tài)，從而使液壓支架有序完成各種動(dòng)作[1]。同時(shí)液壓支架上的傳感系統(tǒng)將液壓支架的運(yùn)行參數(shù)和受力狀態(tài)通過(guò)信號(hào)通訊系統(tǒng)反饋給井下和井上中央控制主機(jī)，這些參數(shù)的獲得不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的工作狀態(tài)，防止事故的發(fā)生，也可以讓液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)之間的動(dòng)作更加協(xié)調(diào)。

2.2 信號(hào)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 開(kāi)關(guān)量信號(hào)

該系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)主要有接近開(kāi)關(guān)、保護(hù)、急停、閉鎖4個(gè)種類，其中接近開(kāi)關(guān)和保護(hù)是系統(tǒng)運(yùn)行中根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)觸發(fā)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而急停和閉鎖開(kāi)關(guān)量的控制由支架控制面板上安裝的急停按鈕進(jìn)行控制。該按鈕有按下和跳起兩個(gè)工作狀態(tài)，按下?tīng)顟B(tài)是系統(tǒng)正常工作，此時(shí)該開(kāi)關(guān)量輸出為低電平，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)支架輸出壓力不足、卡頓、承壓過(guò)高等故障或緊急事件時(shí)，緊急按鈕將自動(dòng)跳起，輸出高電平，同時(shí)相應(yīng)的故障指示燈開(kāi)始閃爍，方便維修人員盡快處理[2]。

2.2.2 模擬量信號(hào)

液壓支架電液控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)主要包括紅外線、壓力、超聲波和位移等，利用系統(tǒng)安裝的各種傳感器，對(duì)推鎦過(guò)程中產(chǎn)生的位移、采煤機(jī)和液壓支架之間的距離、液壓立柱收到的壓力以及采煤機(jī)所在位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電液控制系統(tǒng)模擬量采集框圖如圖1所示。

圖1 模擬量信號(hào)輸入框圖

3 支架控制器的軟件設(shè)計(jì)

軟件是控制系統(tǒng)最為重要的組成部分，只有軟件的控制精確無(wú)誤才能保證系統(tǒng)的高效和安全。該系統(tǒng)主要通過(guò)四種工作模式進(jìn)行軟件編寫(xiě)，分別為空閑等待模式、閉鎖模式、從控模式和主控模式[3]。

3.1 空閑等待模式

該模式是操作者對(duì)系統(tǒng)發(fā)出操作命令之前，在沒(méi)有任何操作和參數(shù)輸入的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)檢索和初始化，液晶顯示屏處于默認(rèn)界面，操作者觀察系統(tǒng)的參數(shù)值，保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后即可進(jìn)行按鍵操作和參數(shù)設(shè)置。

3.2 閉鎖模式

該模式是在出現(xiàn)系統(tǒng)故障或緊急情況下自動(dòng)觸發(fā)或通過(guò)按下閉鎖按鈕人工觸發(fā)，通過(guò)上位機(jī)或各控制器之間的命令傳輸都可以進(jìn)入閉鎖模式。該模式一旦觸發(fā)，控制器不再接受任何操作命令和系統(tǒng)命令，也不會(huì)控制液壓支架執(zhí)行任何動(dòng)作，直至故障維修結(jié)束，系統(tǒng)恢復(fù)正常，重新恢復(fù)閉鎖按鈕狀態(tài)。

3.3 從控模式

該模式的觸發(fā)需要將控制界面的主從控制按鈕進(jìn)行選擇更換，該模式下本架控制器根據(jù)其他控制器通過(guò)通訊系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行液壓支架的某個(gè)動(dòng)作，或控制本架完成某個(gè)特定的功能。該模式觸發(fā)后只有閉鎖按鈕能夠繼續(xù)發(fā)揮作用，其他操作和控制不會(huì)被系統(tǒng)接受。

3.4 主控模式

在無(wú)特殊情況發(fā)生時(shí)，液壓支架正常的工作狀態(tài)在主控模式下進(jìn)行，在操作界面選擇主控模式，液壓支架的動(dòng)作將按照設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行工作，此時(shí)，除閉鎖和急停外不再受其他程序和信號(hào)干擾。主控模式的控制程序復(fù)雜而精確，必須對(duì)外線傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器和位移傳感器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，精確控制升架、推鎦、降架、移架動(dòng)作，同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)等共同完成采煤作業(yè)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后需要進(jìn)行單個(gè)液壓支架的控制調(diào)試、通訊系統(tǒng)調(diào)試和整體調(diào)試，通過(guò)調(diào)試確定程序的合理性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性以及控制精準(zhǔn)性。

4.1 支架控制器與主機(jī)通訊測(cè)試

由主機(jī)操作界面發(fā)出控制命令，通過(guò)通訊電纜傳送給支架控制器，這些命令是否被傳送接收，通過(guò)二極管實(shí)驗(yàn)臺(tái)的亮暗表現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)主機(jī)會(huì)接收到液壓支架的狀態(tài)信號(hào)，并顯示在操作界面上。經(jīng)過(guò)反復(fù)操作，在所有條件和狀態(tài)下驗(yàn)證通訊系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，滿足使用要求。

4.2 單個(gè)支架的調(diào)試

該過(guò)程分別對(duì)多個(gè)支架進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間單體檢測(cè)，需觀察單動(dòng)作、組動(dòng)作的完成準(zhǔn)確性以及傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的靈敏性；測(cè)試閉鎖模式下是否能夠停止運(yùn)行，其他按鈕和程序信號(hào)是否能夠繼續(xù)控制支架動(dòng)作[4]。

模擬測(cè)試液壓支架和采煤機(jī)之間的距離控制，用一個(gè)小車代替采煤機(jī)，放置在距離液壓支架約3 m位置，小車以與采煤機(jī)相同的速度向前移動(dòng)，在此條件下觀察電液控制系統(tǒng)對(duì)液壓支架的移動(dòng)控制是否滿足使用條件。

4.3 整體測(cè)試

最后的整體測(cè)試需要1臺(tái)井下控制主機(jī)、10個(gè)支架控制器，以手動(dòng)優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)優(yōu)先級(jí)的順序?yàn)闇?zhǔn)，即在手動(dòng)操作過(guò)程中，不接受自動(dòng)控制命令。整體測(cè)試是綜合性的測(cè)試過(guò)程，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，直到整個(gè)程序能夠滿足所有液壓支架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，方可把系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著采煤技術(shù)的高速發(fā)展以及電液控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，煤礦井下作業(yè)的無(wú)人化、高效化、科技化日漸成效。而煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜多變給煤礦開(kāi)采的安全和效率造成了很大困擾，這也是開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要原因，電液控制技術(shù)在液壓支架的應(yīng)用越來(lái)越成熟，在控制主機(jī)、傳感系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的配合下，液壓支架按照設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行動(dòng)作，代替了大量的人工操作，同時(shí)通過(guò)對(duì)液壓支架的受力進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，使礦壓變化一目了然，這給安全生產(chǎn)也提供了有利的保障。