液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任建庭

（陽(yáng)煤寺家莊有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部修配隊(duì)， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)每年生產(chǎn)和消耗的煤炭量在全球范圍內(nèi)占據(jù)前列。煤炭作為一次能源在我國(guó)工業(yè)和日常生活的作用不可估量，且在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭依然在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，我國(guó)煤炭生產(chǎn)的機(jī)械化程度已經(jīng)達(dá)到75%左右。因此，提升綜采工作面產(chǎn)煤效率可通過(guò)提升工作面綜采設(shè)備的自動(dòng)化水平來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)其進(jìn)行升降、推溜以及移架等操作。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，常通過(guò)作業(yè)人員對(duì)上述操作進(jìn)行手動(dòng)控制，存在控制精度低、控制不到位的問(wèn)題。液壓支架電液控制系統(tǒng)是解決其控制效率的關(guān)鍵。本文將以XX礦的液壓支架為研究對(duì)象，對(duì)電液控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試。

1 液壓支架參數(shù)

本文以某礦某工作面1 號(hào)煤層所用的液壓支架為研究對(duì)象。1 號(hào)煤層的煤層高度為0.8～1.3 m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不含煤矸石[2]。1 號(hào)煤層工作面所采用的支架類(lèi)型為兩柱掩護(hù)式液壓支架，型號(hào)為ZY3800/08/17D。該支架的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 ZY3800/07/16D 關(guān)鍵參數(shù)表

2 液壓支架電液控制系統(tǒng)原理

為實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化、無(wú)人值守的生產(chǎn)，要求其電液控制系統(tǒng)能夠根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置對(duì)其進(jìn)行推溜、移架等操作。為此，需將傳感器、紅外遙感等技術(shù)應(yīng)用于其中，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面頂板和底板的支護(hù)效果達(dá)到最佳[3]。

電液控制系統(tǒng)控制思路：通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)液壓支架立柱壓力、千斤頂位移等關(guān)鍵信息采集并分析處理后，結(jié)合下一步生產(chǎn)計(jì)劃及采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置等信息將電液控制系統(tǒng)控制器所得的控制信號(hào)通過(guò)電磁先導(dǎo)閥轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)對(duì)液壓支架各執(zhí)行部件進(jìn)行控制。圖1 所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)總體方案。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)總體方案

3 電液控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

控制器作為液壓支架電液控制系統(tǒng)的核心，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面所有液壓支架工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制以及通信等功能。為確保其能夠適應(yīng)綜采工作面相對(duì)惡劣的工作面，要求其控制具有較高的可靠性[4]。為此，液壓支架控制器除需滿(mǎn)足關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)外，還要求其具備可靠的環(huán)境適應(yīng)性。

3.1 電液控制器主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)的控制需求，其控制器需包括有數(shù)據(jù)采集單元、通信單元、人機(jī)交互單元以及電磁驅(qū)動(dòng)單元等。電液控制器的結(jié)構(gòu)組成如下頁(yè)圖2 所示。

如圖2 所示，數(shù)據(jù)采集單元基于其中各類(lèi)傳感器對(duì)液壓支架及其采煤機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集；人機(jī)交互單元包括對(duì)所采集到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示、作業(yè)人員的操作按鈕等；通信模塊中CAN 總線(xiàn)是各個(gè)液壓之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)；I2C 是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信的基礎(chǔ)[5]。

為提升液壓支架電液控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性，要求能夠根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)任務(wù)的不同對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，最終達(dá)到最佳的支護(hù)效果和控制效率。圖3 所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)對(duì)其支護(hù)參數(shù)修正的邏輯圖。

圖2 電液控制器結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 液壓支架電液控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化邏輯圖

3.2 電液控制器配套功能的設(shè)計(jì)

3.2.1 液壓支架高度監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了避免液壓支架頂梁與采煤機(jī)滾筒出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。將電液控制系統(tǒng)中新增液壓支架高度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。液壓支架高度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心為高度傳感器，將高度傳感器分別安裝于液壓支架頂梁和控制器，以確保其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)煤層厚度、液壓支架支護(hù)高度以及掩護(hù)梁與頂梁連接處的高度。

3.2.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為充分掌握液壓支架的姿態(tài)，在其電液控制系統(tǒng)中新增姿態(tài)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)。該分系統(tǒng)主要根據(jù)傾角傳感器對(duì)立柱的傾斜角以及頂梁底座的偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將所采集的傾斜角、偏轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)信息上傳于電液控制器中分析判斷。若超出規(guī)定值，控制器應(yīng)及時(shí)調(diào)整支架的立柱壓力及四連桿機(jī)構(gòu)，以確保液壓支架的處于良好的運(yùn)行姿態(tài)。

4 采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

精確掌握采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置是實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。鑒于綜采工作面存在瓦斯且粉塵濃度較高導(dǎo)致視野不好的問(wèn)題，常通過(guò)采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)獲取采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置。采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

如圖4 所示，采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、處理器模塊以及通信模塊。其中，采煤機(jī)上安裝發(fā)射模式的位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，液壓支架上安裝紅外接收模式的位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖4 采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5 液壓支架電液控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)信息的通信主要有兩類(lèi)數(shù)據(jù)：上位機(jī)與電液控制器之間的數(shù)據(jù)通信（A 類(lèi)數(shù)據(jù)）、電液控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信（B 類(lèi)數(shù)據(jù)）。其中，A 類(lèi)數(shù)據(jù)主要為液壓支架的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)；B 類(lèi)數(shù)據(jù)為控制支架動(dòng)作的指令信息。鑒于A 類(lèi)數(shù)據(jù)和B類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型及時(shí)效性的區(qū)別，針對(duì)A 類(lèi)數(shù)據(jù)采用RS485 總線(xiàn)通信，針對(duì)B 類(lèi)數(shù)據(jù)采用SPI 通信。RS485 總線(xiàn)通信和SPI 通信流程如圖5 所示。

圖5 電液控制系統(tǒng)通信流程

6 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化生產(chǎn)，傳統(tǒng)液壓支架的手動(dòng)控制模式不斷發(fā)展到如今的電液控制模式。電液控制器作為其電液控制系統(tǒng)的核心，其主要通過(guò)壓力、位移、角度、高度等傳感器獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握液壓支架工作狀態(tài)，并經(jīng)其PLC 控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過(guò)RS485 總線(xiàn)通信上傳至上位機(jī)，將最終所得的控制信號(hào)通過(guò)SPI 通信在各個(gè)控制器之間傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了液壓支架的單架、成組控制。此外，液壓支架還可以通過(guò)掌握采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制的目的?？傊?，電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)液壓支架無(wú)人值守、自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。