綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化設計

李瑞龍

（山西焦煤集團官地煤礦， 山西 太原 030024）

引言

液壓支架是煤礦綜采工作面安全支護的重要設備，為了減少工人數(shù)量、降低勞動強度、提高安全生產，必須利用液壓支架電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓支架的統(tǒng)一有序控制和動作。但由于進口液壓支架電壓控制系統(tǒng)存在供貨不及時、升級困難、缺乏自動控制和自診斷功能等缺點，而國內現(xiàn)有液壓支架電液控制系統(tǒng)存在可靠性低、控制實時性差、抗干擾能力弱等缺點[1-3]，所以，亟待研究并開發(fā)高可靠性、高實時性，滿足綜采工作面生產需求的液壓支架電液控制系統(tǒng)，適應綜采工作面智能化、信息化和少人化的需求。本文以綜采工作面液壓支架為研究對象，深入研究液壓支架結構、功能和控制工藝，提出液壓支架電液控制系統(tǒng)硬件設計、軟件設計及人機界面顯示屏設計，為實現(xiàn)液壓支架控制的智能化、少人化奠定基礎。

1 液壓支架控制系統(tǒng)硬件設計

綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案硬件設計結構如圖1 所示，該優(yōu)化方案更換通信能力強、處理速度快、響應時間短的EPEC 3724 控制器為核心CPU，根據(jù)液壓支架控制的數(shù)字量、模擬量進行I/O 點分配。優(yōu)化后的液壓支架控制器需采集的模擬量有壓力傳感器數(shù)據(jù)，具體包括每一臺液壓支架的伸縮油缸壓力、立柱升降油缸壓力、推溜油缸壓力等，輸出信號為-10～10 V 電壓信號，傳送給EPEC 3724 控制器完成模數(shù)處理。位移傳感器用于采集推溜油缸位移、立柱油缸位移，輸出信號為0～10 V 電壓信號。紅外傳感器用于定位采煤機位置，即在液壓支架橫梁中心位置安裝紅外傳感器發(fā)送單元，在采煤機機身位置安裝紅外傳感器接收單元，采煤機根據(jù)接收到的紅外傳感器信號確認對應的液壓支架編號，進而確認自身實時位置[4-6]。EPEC 3724 控制器支持PWM信號輸出，即對控制液壓支架油缸伸縮、底座抬放、護幫伸收及推溜的電磁閥直接控制，實時性強、控制效果好。對液壓支架進行控制時，需在人機界面上完成，EPEC 3724以CAN 總線通信方式將液壓支架動作時的所有數(shù)據(jù)上傳至人機界面，同時接收人機界面的控制指令。優(yōu)化后的液壓支架控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控平臺用于監(jiān)視、查看液壓支架運行數(shù)據(jù)、故障信息等。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)硬件結構

優(yōu)化后的液壓支架控制系統(tǒng)EPEC 控制器端口地址分配如下頁表1 所示，在進行軟件實現(xiàn)時，需根據(jù)表1 地址分配完成。

表1 液壓支架控制器優(yōu)化方案EPEC 控制器端口地址統(tǒng)計

2 液壓支架控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 PLC 程序

液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件分為支架控制器主站軟件和支架控制器從站軟件兩部分，其軟件框架如下頁圖2 所示。支架控制器主站軟件主要包括通信設計、動作設計兩部分。支架控制器主站以TCP/IP 通信模式與地面控制室進行數(shù)據(jù)傳輸，以CAN 通信模式與支架控制器從站進行數(shù)據(jù)傳輸，因此，設計基于改進型分時復用的TCP/IP 通信方案，以解決傳統(tǒng)TCP/IP 通信方案存在的數(shù)據(jù)擁塞、碰撞現(xiàn)象，提高傳輸數(shù)據(jù)的實時性[7-8]。對支架控制器主站傳輸?shù)姆侵芷谛詳?shù)據(jù)，設計基于動態(tài)優(yōu)先級的CAN 通信方案，從而解決現(xiàn)有CAN 通信方案存在的CAN 總線數(shù)據(jù)競爭問題，以滿足CAN 通信數(shù)據(jù)的實時性要求。根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)控制要求，支架控制器主站動作設計主要包括鄰架控制、成組控制及遠程控制。支架控制器從站軟件設計與支架控制器主站軟件設計類似，在通信設計中，包含對傳感器等周期性數(shù)據(jù)的靜態(tài)CAN 通信方案；在動作設計中，還包括本架推溜。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件框架

2.2 HMI 人機界面

綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案人機界面用于支架工完成對液壓支架的控制，設計有主菜單、鄰架菜單、成組菜單、推溜菜單、參數(shù)設計及錯誤報警六個界面，如圖3 所示。EPEC 3724 控制器將液壓支架動作時的所有數(shù)據(jù)經CAN 總線通信傳輸至人機界面。人機界面接收到數(shù)據(jù)按照已經定義的CAN總線通信協(xié)議進行解析并實時顯示，同時支架工按下控制指令后，經CAN 總線通信協(xié)議傳送至EPEC 3724 控制器并完成對液壓支架的控制。

圖3 綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案人機界面

3 試驗驗證

為驗證優(yōu)化后的綜采工作面液壓支架控制系統(tǒng)的正確性和可靠性，在實驗室完成液壓支架控制系統(tǒng)功能試驗。將實驗室內的20 臺液壓支架控制系統(tǒng)以CAN 總線通信方式進行連接，分別控制20 臺液壓支架，控制模式主要有單機控制、成組控制、鄰架控制以及自動跟機等。同時還需試驗驗證壓力、位移、紅外等傳感器的信號采集、處理及邏輯控制。圖4 所示為鄰架聯(lián)動控制時LED 顯示屏展示的液壓支架控制系統(tǒng)狀態(tài)，聯(lián)動動作為“降- 移- 升”，當前采煤機運行方向為正向、立柱壓力為20 MPa（200 bar）。圖5 所示為液壓支架成組控制過程，當前執(zhí)行動作的液壓支架架號為3。該試驗基于CoDeSys 平臺，并結合人機界面LED 顯示完成PLC 控制器開關量輸入、輸出點測試、PLC 控制器模擬量輸入輸出點、液壓支架鄰架控制、液壓支架成組控制、推溜動作、急停閉鎖、參數(shù)調整及錯誤報警測試，驗證了所研究開發(fā)的液壓支架電液控制系統(tǒng)的正確性。

圖4 鄰架聯(lián)動控制

圖5 成組控制

4 結語

1）設計以EPEC 3724 控制器為核心的液壓支架控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，給出詳細的硬件、軟件設計；

2）實現(xiàn)了液壓支架單機、成組、聯(lián)動、自動跟機等多種控制模式，滿足綜采工作面液壓支架控制需求；

3）設計液壓支架控制系統(tǒng)HMI 人機界面，增強了液壓支架控制系統(tǒng)的可視性和可操作性。