基于PLC 的煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)

宋云霞

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備公司大同力泰機(jī)械有限公司，山西 大同 037001）

液壓支架是煤礦綜采工作面重要的機(jī)械支護(hù)設(shè)備，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各類采煤機(jī)械設(shè)備和工作人員起到保護(hù)作用，同時(shí)配合采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備完成煤炭的開采、破碎、運(yùn)輸工作，實(shí)現(xiàn)工作面煤炭安全開采［1］。國內(nèi)較早設(shè)計(jì)的液壓支架控制系統(tǒng)一般采用人工手動(dòng)控制或者半自動(dòng)控制方式，自動(dòng)化水平較低，而且不具備自我診斷功能，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差。國外在液壓支架電液控制系統(tǒng)方面發(fā)展比較迅速，技術(shù)比較全面。但國外電液控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，內(nèi)部協(xié)議及技術(shù)不公開，一旦發(fā)生故障，維修復(fù)雜且周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約我國煤礦綜采工作面的智能化發(fā)展［2-3］。

為此，基于PLC和CAN總線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)，通過多傳感器技術(shù)可對(duì)液壓支架及周圍環(huán)境、設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面的信息監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我診斷功能和控制功能提供數(shù)據(jù)支持，液壓支架可實(shí)現(xiàn)自身跟機(jī)自動(dòng)化追架、推溜、支護(hù)等動(dòng)作，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，顯著提升了液壓支架的自動(dòng)化控制水平。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

液壓支架電液控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、打印機(jī)、服務(wù)器、多個(gè)液壓支架控制器、CAN總線通信電路、RS485通信電路、液壓支架及電磁閥組等組成。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

其中，上位機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)等設(shè)備位于地面遠(yuǎn)程控制室，負(fù)責(zé)對(duì)全組液壓支架的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印，同時(shí)具備遠(yuǎn)程控制功能，可根據(jù)狀態(tài)信息、周圍環(huán)境信息、各組支架之間的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)支架跟機(jī)移架等功能。支架控制器是電液控制系統(tǒng)的核心部分，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的工況信息及液壓支架與其他設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)狀態(tài)，同時(shí)也是控制設(shè)備，可控制電磁閥組進(jìn)而控制液壓支架動(dòng)作。支架控制器之間通過RS485總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，支架控制器實(shí)際數(shù)量根據(jù)液壓支架的多少來決定。各支架控制器與地面遠(yuǎn)程控制室之間通過雙通道CAN總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一條CAN總線負(fù)責(zé)接收各支架控制器采集的狀態(tài)信息并上傳給上位機(jī)，另一條CAN總線負(fù)責(zé)下達(dá)控制指令，通過判斷采煤機(jī)和液壓支架的位置來控制支架完成各項(xiàng)操作。

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 支架控制器硬件方案設(shè)計(jì)

支架控制器硬件方案如圖2所示。液壓支架控制器由PLC控制系統(tǒng)、電磁閥控制電路、紅外接收電路、CAN總線通信電路、壓力傳感器、行程傳感器、超聲波物位傳感器、傾角傳感器、聲光報(bào)警電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路、供電單元組成。

圖2 支架控制器硬件方案框圖

PLC控制系統(tǒng)是核心中轉(zhuǎn)站，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN總線通信接口和RS485通信接口，同時(shí)具備數(shù)據(jù)智能處理功能。支架控制器配置5類傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架的狀態(tài)信息及支架與采煤機(jī)的相對(duì)位置，為完成支架動(dòng)作提供數(shù)據(jù)支撐。供電單元負(fù)責(zé)為PLC控制系統(tǒng)及各類電子電路提供電源。電磁閥控制電路負(fù)責(zé)直接驅(qū)動(dòng)電磁閥控制液壓支架。外圍電路包括聲光報(bào)警電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路，負(fù)責(zé)故障報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示等功能。

2.2 PLC控制器設(shè)計(jì)與選型

PLC控制器是支架控制器的核心控制設(shè)備，因其性能穩(wěn)定、可靠性高、功能強(qiáng)大，被廣泛應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)。目前我國多數(shù)煤礦環(huán)境比較惡劣，國家在煤礦使用設(shè)備選擇上也有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合考慮，本系統(tǒng)選用西門子S7-200系列PLC控制器。該系列PLC編程簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高，完全匹配實(shí)際工作環(huán)境，同時(shí)也滿足控制對(duì)象輸入與輸出點(diǎn)數(shù)。CPU選擇西門子公司PLCS7-200系列的CPU226［4］。

2.3 傳感器單元設(shè)計(jì)與選型

壓力傳感器安裝在推壓密實(shí)裝置油缸內(nèi)和立柱油缸內(nèi)，用于檢測(cè)推壓密實(shí)裝置油缸內(nèi)的壓力和立柱底腔壓力，壓力傳感器選用型號(hào)為GPD60型。傾角傳感器安裝于頂梁及后連桿，用于檢測(cè)頂梁及后連桿傾斜角度，判斷支護(hù)高度，傳感器選用型號(hào)為MPU6050。行程傳感器安裝于推移千斤頂位置，用于檢測(cè)活塞桿位移，傳感器選用型號(hào)為GUD-960-M1-C3。紅外傳感器分為紅外發(fā)射裝置與紅外接收裝置，將紅外發(fā)射裝置安裝于采煤機(jī)，接收裝置安裝于液壓支架，系統(tǒng)通過判斷采煤機(jī)的位置，實(shí)現(xiàn)液壓支架移架的自動(dòng)控制，紅外發(fā)送裝置選用型號(hào)為GUH5-F，紅外線接收裝置選用型號(hào)為GUH5-D。

2.4 架間通信方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支架控制器之間的相互通信是電液控制系統(tǒng)通信的核心部分，通過架間通信，可實(shí)時(shí)掌握鄰架之間的工況狀態(tài)，為自動(dòng)化控制提供幫助。架間通信要求通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能好，考慮到架間傳輸數(shù)據(jù)量大，采用RS485總線通信方式，抗噪性能優(yōu)越，傳輸速率快。本系統(tǒng)架間通信采用RS-485接口串行數(shù)據(jù)通信方式，將其設(shè)計(jì)為兩路通信方式，一路負(fù)責(zé)信息的接收，一路負(fù)責(zé)信息的發(fā)送，相互獨(dú)立，避免信息沖突，光耦隔離芯片選擇TLP521，MAX485芯片用于電平轉(zhuǎn)換［5］。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)電液控制系統(tǒng)的功能及工藝流程分析，采用梯形圖來實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件控制程序的編寫。為便于調(diào)試和修改，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將各功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的子程序，由主程序統(tǒng)一調(diào)用。子程序調(diào)用方式大部分通過中斷子程序執(zhí)行，部分子程序則放在主程序中循環(huán)執(zhí)行。系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

功能子程序包括CAN總線通信子程序、RS485通信子程序、鍵盤輸入子程序、LCD輸出子程序、聲光報(bào)警子程序、控制模式選擇子程序、傳感器采集與監(jiān)測(cè)子程序、自動(dòng)控制子程序、動(dòng)作執(zhí)行子程序、急停閉鎖子程序。

電液控制系統(tǒng)的控制模式分為三種：就地控制模式、遠(yuǎn)程控制模式、自動(dòng)控制模式。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

目前該液壓支架電液控制系統(tǒng)已經(jīng)在高平煤礦投入運(yùn)行，并已試運(yùn)行1年零6個(gè)月，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)和效果，各項(xiàng)技術(shù)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過該電液控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鄰架控制中的各項(xiàng)功能，支架可自主移動(dòng)到預(yù)定位置，自主實(shí)現(xiàn)支護(hù)、移架、推溜等動(dòng)作，提高了綜采工作面的自動(dòng)化程度，降低了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在煤礦綜采工作面自動(dòng)化發(fā)展的道路上具有里程碑意義。

圖3 主程序流程框圖

5 結(jié)語

基于PLC控制技術(shù)、CAN總線雙向通信技術(shù)、RS485雙向通信技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)等設(shè)計(jì)的一套液壓支架電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與支架控制器的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了支架控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制指令下達(dá)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架自身的自我診斷功能，完成了自主支護(hù)、移架、推溜等操作，應(yīng)用前景廣闊。