劉卓敏

（晉能控股煤業(yè)集團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構體系中占據(jù)重要地位，根據(jù)有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，煤炭資源占據(jù)一次能源的比例大約為66%[1]。隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，未來社會對煤炭資源的依賴程度不會出現(xiàn)大幅度降低[2]。液壓支架是煤礦工作面中非常關鍵和重要的機械裝備，直接關乎到煤礦開采過程的安全性。隨著煤礦領域信息化技術水平的不斷提升，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]。因為電液控制系統(tǒng)的性能會對液壓支架的綜合性能產(chǎn)生決定性影響，進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際情況的基礎上，基于PLC 控制器設計了電液控制系統(tǒng)，并將其應用到工作實踐中，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)整體方案設計

1.1 整體方案

如圖1 所示為結合實際情況設計的基于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)控計算機，作用是對液壓支架的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。井下部分主要包括防爆計算機、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閥組。傳感器的作用是對液壓支架的運行狀態(tài)進行檢測，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)絡結構，以便同時對多個液壓支架進行自動化監(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際使用基本要求，設計的電液控制系統(tǒng)要求能夠對液壓支架的所有動作進行控制。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)進行采集，以此判斷液壓支架的運行狀態(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行操作控制，防止操作失誤引發(fā)事故?；诖耍O計的電液控制系統(tǒng)共有三種控制模式，分別為集中控制、遠程控制和就地鄰架控制。集中控制是指系統(tǒng)運行時無需人為干預，完全自動化運行；遠程控制是指通過地面監(jiān)控計算機對井下液壓支架進行遠程控制，需依賴通信網(wǎng)絡實現(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行控制。另外，系統(tǒng)還具備有故障報警功能，一旦出現(xiàn)故障問題能及時提示工作人員進行處理。

2 支架控制器主要硬件選型設計

2.1 硬件整體結構

如下頁圖2 所示為支架控制器的主要硬件結構框圖。由圖可知，整個硬件結構由不同的單元構成，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、驅動單元和數(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?？刂破髂軌蛘＿\行的最基本單元，包括下載電路、晶振電路、復位電路和電源電路。通信單元的作用是實現(xiàn)控制器與外界通信，以便進行數(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算機進行通信，后者主要是與鄰架控制器進行通信。基本功能單元的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)與人之間的交互。主要包括人機界面、鍵盤電路、聲光報警、急停/閉鎖電路等，利用該單元可實現(xiàn)就地鄰架控制功能。信號采集電路和驅動電路的作用分別是對液壓支架的狀態(tài)信息進行采集和實現(xiàn)液壓支架的控制。

圖2 支架控制器的主要硬件結構框圖

2.2 PLC 控制器選型

目前PLC 控制器技術已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)領域有非常廣泛的應用，且各項硬件裝置成本比較低。在充分比較不同類型PLC 控制器價格和性能的基礎上，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，正常工作時的電壓為24 V，可以利用15～30 V的電壓對其進行供電，通過光電耦合電路進行工作，能有效隔離外部干擾，提升設備運行的穩(wěn)定性。CPU的功耗較低，只有10 W，空載和負載工作時的電流分別只有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 轉換電路轉換成為數(shù)字量信號后，才能輸入到PLC 控制器中進行分析與處理。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，使得整個系統(tǒng)的結構大大簡化。

3 支架控制器軟件設計

3.1 軟件總體結構

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

圖3 支架控制器軟件整體結構框圖

3.2 主程序

系統(tǒng)中主程序的主要作用是完成各項任務的調(diào)度及對各個子程序進行調(diào)取運行。基于中斷觸發(fā)判斷模式運行，通過該程序標記相應的標志位或者執(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)開始運行后，首先對各項硬件設施進行初始化處理，同時對硬件設置進行配置，確保無誤以后正式運行主程序。主程序運行過程中，當出現(xiàn)中斷時，會執(zhí)行對應的子程序。

圖4 支架控制器主程序工作流程圖

4 應用效果分析

將設計的基于PLC 控制器的電液控制系統(tǒng)部署到煤礦中的ZF/13000/25/38 型液壓支架工程實踐中，以驗證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。電液控制系統(tǒng)的成功實踐應用，實現(xiàn)了對煤礦液壓支架運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，不僅保障了液壓支架運行的安全性，也提升了設備運行效率。基于電液控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)液壓支架的成組自動化控制，大幅度降低了工人的勞動強度，為企業(yè)節(jié)省了很多人力成本。據(jù)統(tǒng)計，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，使液壓支架運行過程更加規(guī)范，設備故障率大幅度降低。據(jù)現(xiàn)場人員反饋，系統(tǒng)自投入使用到結束，在配件更換、維護費用上節(jié)省了70萬元左右。

5 結語

以煤礦中比較關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)進行了設計與研究。所得結論主要有：液壓支架電液控制系統(tǒng)分為地面和井下兩大部分，通過井下計算機、支架控制器以及井上監(jiān)控計算機對液壓支架進行控制，可以實現(xiàn)集中控制、遠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行設計，主程序在運行時，可以對不同類型的子程序進行調(diào)取，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能；將電液控制系統(tǒng)部署到液壓支架工程實踐中，進現(xiàn)場調(diào)試和應用發(fā)現(xiàn)效果良好，各項功能都可以正常實現(xiàn)，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全和經(jīng)濟效益。