韓玉冰

（山西蘭花集團(tuán)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西晉城 048400）

0 引言

液壓支架作為煤礦綜采三機(jī)之一，負(fù)責(zé)整個(gè)生產(chǎn)工作面的支護(hù)任務(wù)，是保障生產(chǎn)安全的關(guān)鍵設(shè)備［1］。液壓支架的控制系統(tǒng)是支架的核心部分，保持與巷道調(diào)度室和地面的通訊，控制液壓支架完成單架動(dòng)作與成組順序聯(lián)動(dòng)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，減少作業(yè)人數(shù)［2-3］。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤礦的液壓支架控制系統(tǒng)依賴進(jìn)口，價(jià)格高、維修困難［4］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，煤炭采掘技術(shù)逐漸成熟，液壓支架的控制技術(shù)成為眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究課題，并在此方面取得了優(yōu)秀的成果，基本滿足煤礦的生產(chǎn)要求［5］。本文將對(duì)煤礦液壓支架的控制器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 液壓支架控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

液壓支架主要由立柱、千斤頂、頂梁、掩護(hù)梁、底座、推移裝置和控制系統(tǒng)等裝置組成，支架主要依靠液壓原理工作，由安設(shè)于硐室中的乳化液泵站提供液壓油，當(dāng)液壓油進(jìn)入立柱后，支架撐起頂板，通過(guò)安全閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力，實(shí)現(xiàn)頂板的恒阻支撐。支架在移動(dòng)時(shí)，首先降低立柱高度，千斤頂動(dòng)作，以刮板輸送機(jī)為基點(diǎn)推移液壓支架，然后再以支架為基點(diǎn)推移刮板輸送機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤、支護(hù)和運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化生產(chǎn)，提高工作效率［6-7］。

液壓支架控制系統(tǒng)向各個(gè)支架發(fā)出程序指令，控制液壓系統(tǒng)中電磁換向閥的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)各液壓支路于液壓缸的供液、回流等相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)在控制過(guò)程中，通過(guò)傳感器采集采煤機(jī)的位置信號(hào)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理所得到的反饋信息來(lái)決定與控制各支架的動(dòng)作順序。液壓支架控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括計(jì)算機(jī)、PLC控制器、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊與各類傳感器裝置?？刂破魇钦麄€(gè)控制單元的核心，主要負(fù)責(zé)處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，向電磁閥組發(fā)出控制指令。壓力傳感器安裝于液壓支架立柱的測(cè)壓孔中，測(cè)量立柱液壓缸中的壓力。位移傳感器安裝于推移油缸內(nèi)部，測(cè)量推移油缸在動(dòng)作時(shí)的位移量，保證動(dòng)作的精確性。內(nèi)端部的用來(lái)測(cè)量推移油缸的位移。位置傳感器安裝于采煤機(jī)中部，采集采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)控制。控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓支架中的電磁閥組，通過(guò)控制電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)作，進(jìn)而開(kāi)啟或關(guān)閉主閥，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸的伸縮控制。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分主要由控制器、電源、壓力傳感器、位移傳感器、位置傳感器等組成，本節(jié)將對(duì)上述硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

2.1 控制器及電源選型設(shè)計(jì)

本文選用PLC可編程控制器作為系統(tǒng)的控制裝置，PLC控制器是一種工業(yè)自動(dòng)化控制器，結(jié)合微電子技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的可靠控制，由于其具有較好的穩(wěn)定性與適應(yīng)性，逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要選擇之一。液壓支架對(duì)控制系統(tǒng)的主要求：系統(tǒng)可穩(wěn)定控制各支架的推流動(dòng)作、順序動(dòng)作等功能；可與綜采三機(jī)其他設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè)環(huán)境兼容，保證設(shè)備聯(lián)合工作的安全性與可靠性；適應(yīng)井下工作環(huán)境，有較強(qiáng)的抗擊能力［8］。

綜合考慮液壓支架的功能要求，本文選用西門子PLC的S7-200 系列CPU226作為控制系統(tǒng)的核心處理器。CPU226具有24個(gè)輸入位、14個(gè)輸出位、4個(gè)模擬量通道，滿足液壓支架的控制需求。整個(gè)控制系統(tǒng)的電源選用KDW127 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源，可輸出100 ～250 V的交流電壓與12 V的直流電壓，輸出2 A的電流。

2.2 傳感器選型設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，傳感器的種類與型號(hào)較多，同一種被測(cè)對(duì)象所用到的傳感器差別也很大，在煤礦井下使用的傳感器一定要選用符合標(biāo)準(zhǔn)的礦用傳感器。結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠商差別很大。本文針對(duì)煤礦井下的工作環(huán)境，采煤機(jī)、液壓支架所需測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行分析，分別選用了位移傳感器、壓力傳感器與位置傳感器。

位移傳感器選用北京天地瑪珂公司生產(chǎn)的GUC1200 磁致伸縮位移傳感器，通過(guò)測(cè)量液壓缸活塞動(dòng)作時(shí)的位移，計(jì)算液壓支架在推移時(shí)產(chǎn)生的推移量。GUC1200 位移傳感器由測(cè)量桿、磁環(huán)、波導(dǎo)管、脈沖發(fā)射器和接收器等結(jié)構(gòu)組成，安裝于液壓油缸的端部。傳感器通過(guò)計(jì)算移動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生脈沖到檢測(cè)電路探測(cè)到的時(shí)間，捕獲活塞產(chǎn)生的位移量。

位置傳感器選用北京天地瑪珂公司生產(chǎn)的GUH-5 型紅外傳感器。紅外發(fā)射器安裝于采煤機(jī)上，向外發(fā)射紅外信號(hào)；紅外接收器安裝于液壓支架，接受采煤機(jī)上發(fā)射來(lái)的紅外信號(hào)。接收器將信息傳輸?shù)教幚砥鳎ㄟ^(guò)計(jì)算傳輸時(shí)間得到采煤機(jī)的準(zhǔn)確位置。

2.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)控制電磁先導(dǎo)閥來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉主閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制。由于CPU的輸出端電流較小，無(wú)法完成電磁閥的驅(qū)動(dòng)，所以需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電路，本文的電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。電磁先導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為6 ～13 V，本文選擇12 V電壓作為電路的電源。輸入的電平信號(hào)首先經(jīng)過(guò)74LVC07高壓驅(qū)動(dòng)器，放大電流信號(hào)，并提高驅(qū)動(dòng)能力與信號(hào)的抗干擾性。電路中的EL3H7D光電耦合器對(duì)兩側(cè)電路進(jìn)行隔離，避免兩側(cè)信號(hào)互相干擾。當(dāng)電路輸入低電平時(shí)，光電耦合器中的二極管發(fā)光，光源被感光元件接收，PNP三極管的N極輸入低電平，驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)功能。

圖2 電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的主程序流程如圖3 所示，主程序中包括支架的監(jiān)測(cè)子程序、串口通信子程序、升降架子程序與推溜子程序等。系統(tǒng)在初始化與自檢無(wú)故障后，啟動(dòng)串口通信子程序與監(jiān)測(cè)子程序，檢測(cè)液壓支架的工作參數(shù)與采煤機(jī)的位置信息，通過(guò)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)再判斷執(zhí)行升降架子程序與推溜子程序。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合井下環(huán)境與液壓支架控制要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制器的支架自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)價(jià)格便宜，功能豐富，自動(dòng)化程度高，可滿足煤礦的日常生產(chǎn)要求，并且具有較好的節(jié)能性，為煤礦帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。