煤礦液壓支架的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊曉剛

（山西省大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

隨著綜采煤技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，對(duì)采煤裝備自動(dòng)化程度的要求也快速提升。液壓支架作為綜采工作面上“三機(jī)”之一，起著承擔(dān)支撐工作面的重要作用，所以液壓支架的安全有效運(yùn)行，關(guān)乎采煤工作的根本安全，是保障采煤機(jī)械穩(wěn)定進(jìn)行和工人生命安全的重要屏障[1-2]。然而，液壓支架所在礦工作面環(huán)境復(fù)雜潮濕、灰塵大、干擾強(qiáng)，就目前生產(chǎn)情況而言，液壓支架故障情況時(shí)有發(fā)生，因此針對(duì)液壓支架的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控就變得尤為重要。利用工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)在線對(duì)液壓支架的工作情況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，發(fā)生故障時(shí)根據(jù)報(bào)警信息可快速排除，減少檢修人員工作量，提高工作效率，保障生產(chǎn)安全。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦液壓支架的監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層、主控中心監(jiān)測(cè)層，包括對(duì)液壓支架的監(jiān)測(cè)與控制兩部分。液壓支架控制系統(tǒng)控制液壓支架進(jìn)行工作面頂板的支撐、切頂操作、支架移動(dòng)、推移刮板輸送機(jī)等操作。在煤礦生產(chǎn)中，使用電液壓支架控制作為液壓支架的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制層電液控制器由微處理器、數(shù)據(jù)傳輸與接收裝置、操作盤、傳感裝置組成。每個(gè)液壓支架都擁有一個(gè)電液控制器。采煤作業(yè)面內(nèi)，根據(jù)作業(yè)面長度不同，一般布置100～150個(gè)液壓支架，在采煤機(jī)后面一定距離的液壓支架，在支架控制器控制下進(jìn)行立柱升降、千斤頂伸縮的動(dòng)作，完成降架、移架、升架、推溜、數(shù)據(jù)采集等一系列跟機(jī)支撐移動(dòng)操作[3-6]。煤礦工作面液壓支架布置圖如圖1所示。液壓支架的監(jiān)控系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)控制外，還可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警效果。監(jiān)控系統(tǒng)的組成包括角度、位移、紅外、壓力傳感設(shè)備、支架控制器、數(shù)據(jù)調(diào)理電路、PLC、通訊連接網(wǎng)絡(luò)以及軟件程序。液壓支架的構(gòu)成部件數(shù)量以及種類較多，因此構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)選擇液壓支架相對(duì)關(guān)鍵且容易發(fā)生損壞的構(gòu)件比如千斤頂、液壓油缸等[7]。傳感設(shè)備采集布置位置的信號(hào)值，由數(shù)據(jù)補(bǔ)償、數(shù)據(jù)調(diào)理部分處理后通過PLC控制器送至系統(tǒng)軟件程序，由程序計(jì)算監(jiān)測(cè)部位的狀態(tài)是否正常，判斷是否給出報(bào)警指令，完成對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示。

圖1 工作面液壓支架布置圖

1.1 系統(tǒng)硬件選型

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件包括PLC、行程傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、電源模塊、顯示屏、主控計(jì)算機(jī)等。PLC作為監(jiān)控層核心，選用西門子公司較為成熟通用的S7-300型號(hào)，CPU選擇CPU315-DP，另外根據(jù)煤礦生產(chǎn)安全需要選用本質(zhì)安全的12 V電源版。壓力傳感器則選擇使用長沙鈦合公司針對(duì)礦用液壓支架研制的PPM-S240A壓力傳感器，性能穩(wěn)定，測(cè)量范圍廣。位移傳感器選擇GUD-960礦用本安型行程傳感器，可以在具有危險(xiǎn)爆炸環(huán)境中工作。位移傳感器安裝在液壓支架推移液壓油缸內(nèi)，傳感器具有直長細(xì)管結(jié)構(gòu)，管體深入到活塞桿中心，管頭固定，當(dāng)推移千斤頂活塞桿移動(dòng)時(shí)，傳感器則輸出0.5～45 V模擬電壓信號(hào)。紅外傳感器選用杭榮公司制造的GUH5型號(hào)紅外線傳感器，由GUH5-F礦用紅外線發(fā)射器、GUH5-S礦用紅外線接收器兩種傳感器組成。電源模塊選擇FPA-12本安防爆電源，體積小重量輕，適用于煤礦生產(chǎn)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

1.2 控制部分

控制部分按實(shí)現(xiàn)功能不同可分為單臺(tái)支架控制、多個(gè)液壓支架集中控制功能。單個(gè)支架控制用于完成對(duì)工作面上單臺(tái)液壓支架行動(dòng)的控制。液壓支架受操作人員控制，可根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)指定按鈕指令分別完成立柱上升與下降、伸縮平衡千斤頂、伸張收縮一、二級(jí)護(hù)幫板、伸縮側(cè)護(hù)板、伸縮梁、支架前后移動(dòng)、抬高收縮底座自動(dòng)噴霧等10多個(gè)單一動(dòng)作，也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作聯(lián)動(dòng)，動(dòng)作與否與動(dòng)作時(shí)間由操控人員控制[8]。單個(gè)支架的移動(dòng)工作過程即降架、移架、升架，支架首先降低支架高度至頂梁脫離頂板，立柱達(dá)到一個(gè)設(shè)定的移動(dòng)支架壓力值，開始向前移動(dòng)支架、根據(jù)指令達(dá)到移動(dòng)設(shè)定值后，開始升架到立柱達(dá)到設(shè)定升架應(yīng)力值。成組控制則是針對(duì)工作面上多個(gè)液壓支架的協(xié)同控制，主要是針對(duì)多個(gè)液壓支架有秩序的降低、移動(dòng)、升高一系列聯(lián)動(dòng)操作。護(hù)幫板、底座、側(cè)護(hù)板、平衡千斤頂可實(shí)現(xiàn)協(xié)同動(dòng)作。成組控制時(shí)，選定一定數(shù)量的支架為一組，設(shè)定動(dòng)作參數(shù)，設(shè)定為一組的液壓支架，在收到命令后端頭的液壓支架首先開始動(dòng)作，之后選定的一組支架開始逐個(gè)跟隨執(zhí)行相同動(dòng)作，直到該組液壓支架全部執(zhí)行完畢，命令結(jié)束。

1.3 監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)部分主要通過布置傳感器感知支架推移行程、油缸壓力、變化角度、與采煤機(jī)的相對(duì)距離、電流信號(hào)等信息，由傳感器采集，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換后由通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。其中行程傳感器選擇礦用本質(zhì)安全型位移傳感器，布置在液壓支架的推移油缸之內(nèi)，可以將液壓支架機(jī)械的行程量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，壓力監(jiān)測(cè)則通過將壓阻式壓力傳感器布置在液壓缸測(cè)壓孔，將傳感器的一端插入測(cè)壓孔并固定，油缸內(nèi)液體進(jìn)入傳感器基片，受壓電阻發(fā)生變化，電橋輸出電壓由此改變。紅外傳感器用來識(shí)別液壓支架與采煤機(jī)的相對(duì)距離，紅外線發(fā)射器布置在采煤機(jī)上，接收器布置于液壓支架上，通過紅外線傳感器信號(hào)判斷兩者之間相對(duì)位置。當(dāng)壓力值超出設(shè)定閾值時(shí)或液壓支架與采煤機(jī)距離出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告。同時(shí)根據(jù)每臺(tái)液壓支架反饋的不同行程值，判斷液壓支架成組控制完成效果。此外，系統(tǒng)對(duì)電路設(shè)置過流保護(hù)，電路電流超出閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

2 網(wǎng)絡(luò)通信

監(jiān)控系統(tǒng)由3個(gè)層面組成，分別是現(xiàn)場(chǎng)液壓支架控制（微處理器）層、遠(yuǎn)程工作面（PLC）監(jiān)控站以及主控中心監(jiān)測(cè)層。工作面監(jiān)控站與主控中心監(jiān)測(cè)層通過光纖實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，完成兩個(gè)層的信息交互。工作面監(jiān)控站與現(xiàn)場(chǎng)液壓支架控制層通過Profibus-DP通訊協(xié)議連接，利用屏蔽雙絞線總線通訊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能與控制功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

PLC控制器的常用編程語言包括LAD、結(jié)構(gòu)文本與功能圖塊等。LAD利用邏輯關(guān)系圖進(jìn)行編程，是一種簡(jiǎn)潔、高效且使用廣泛的PLC編程語言。結(jié)合煤礦井下的復(fù)雜工作面、煤礦安全要求、編程語言要求，本文使用STEP7軟件采用簡(jiǎn)單的梯形圖針對(duì)PLC S7-300進(jìn)行編程。并利用STEP軟件進(jìn)行了相應(yīng)功能程序測(cè)試，對(duì)降柱、移架、升柱、伸收梁等一系列操作進(jìn)行了測(cè)試指令輸入，系統(tǒng)均可到達(dá)預(yù)期效果。液壓支架“降移升”功能實(shí)現(xiàn)的軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件降移升流程圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了一種煤礦液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)。并對(duì)系統(tǒng)整體方案以及硬件結(jié)構(gòu)完成了選型與構(gòu)建，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序流程圖。系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦生產(chǎn)中液壓支架的基本控制，又能對(duì)液壓支架現(xiàn)場(chǎng)工作情況進(jìn)行監(jiān)督測(cè)量，并設(shè)有預(yù)警功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的判斷與異常報(bào)警。系統(tǒng)具有功能完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用性好的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)可提升液壓支架的工作可靠性，加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定高效，保護(hù)作業(yè)人員安全。