韓玉冰
(山西蘭花集團股份有限公司伯方煤礦分公司,山西晉城 048400)
液壓支架作為煤礦綜采三機之一,負責(zé)整個生產(chǎn)工作面的支護任務(wù),是保障生產(chǎn)安全的關(guān)鍵設(shè)備[1]。液壓支架的控制系統(tǒng)是支架的核心部分,保持與巷道調(diào)度室和地面的通訊,控制液壓支架完成單架動作與成組順序聯(lián)動等動作,實現(xiàn)綜采工作面的自動化生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率,減少作業(yè)人數(shù)[2-3]。目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦的液壓支架控制系統(tǒng)依賴進口,價格高、維修困難[4]。近年來國內(nèi)計算機與自動化技術(shù)快速發(fā)展,煤炭采掘技術(shù)逐漸成熟,液壓支架的控制技術(shù)成為眾多國內(nèi)學(xué)者的研究課題,并在此方面取得了優(yōu)秀的成果,基本滿足煤礦的生產(chǎn)要求[5]。本文將對煤礦液壓支架的控制器進行研究與設(shè)計。
液壓支架主要由立柱、千斤頂、頂梁、掩護梁、底座、推移裝置和控制系統(tǒng)等裝置組成,支架主要依靠液壓原理工作,由安設(shè)于硐室中的乳化液泵站提供液壓油,當液壓油進入立柱后,支架撐起頂板,通過安全閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力,實現(xiàn)頂板的恒阻支撐。支架在移動時,首先降低立柱高度,千斤頂動作,以刮板輸送機為基點推移液壓支架,然后再以支架為基點推移刮板輸送機,從而實現(xiàn)綜采工作面采煤、支護和運輸?shù)淖詣踊a(chǎn),提高工作效率[6-7]。
液壓支架控制系統(tǒng)向各個支架發(fā)出程序指令,控制液壓系統(tǒng)中電磁換向閥的動作,實現(xiàn)對各液壓支路于液壓缸的供液、回流等相應(yīng)動作。系統(tǒng)在控制過程中,通過傳感器采集采煤機的位置信號,根據(jù)數(shù)據(jù)處理所得到的反饋信息來決定與控制各支架的動作順序。液壓支架控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括計算機、PLC控制器、電源模塊、存儲模塊、人機交互模塊與各類傳感器裝置??刂破魇钦麄€控制單元的核心,主要負責(zé)處理傳感器采集到的數(shù)據(jù),向電磁閥組發(fā)出控制指令。壓力傳感器安裝于液壓支架立柱的測壓孔中,測量立柱液壓缸中的壓力。位移傳感器安裝于推移油缸內(nèi)部,測量推移油缸在動作時的位移量,保證動作的精確性。內(nèi)端部的用來測量推移油缸的位移。位置傳感器安裝于采煤機中部,采集采煤機的實時位置信息,實現(xiàn)自動跟機控制??刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行元件為液壓支架中的電磁閥組,通過控制電磁先導(dǎo)閥的動作,進而開啟或關(guān)閉主閥,實現(xiàn)各個液壓缸的伸縮控制。
圖1 液壓支架控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
控制系統(tǒng)的硬件部分主要由控制器、電源、壓力傳感器、位移傳感器、位置傳感器等組成,本節(jié)將對上述硬件結(jié)構(gòu)進行選型設(shè)計。
本文選用PLC可編程控制器作為系統(tǒng)的控制裝置,PLC控制器是一種工業(yè)自動化控制器,結(jié)合微電子技術(shù)與自動化技術(shù),實現(xiàn)對被控對象的可靠控制,由于其具有較好的穩(wěn)定性與適應(yīng)性,逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要選擇之一。液壓支架對控制系統(tǒng)的主要求:系統(tǒng)可穩(wěn)定控制各支架的推流動作、順序動作等功能;可與綜采三機其他設(shè)備的控制與監(jiān)測環(huán)境兼容,保證設(shè)備聯(lián)合工作的安全性與可靠性;適應(yīng)井下工作環(huán)境,有較強的抗擊能力[8]。
綜合考慮液壓支架的功能要求,本文選用西門子PLC的S7-200 系列CPU226作為控制系統(tǒng)的核心處理器。CPU226具有24個輸入位、14個輸出位、4個模擬量通道,滿足液壓支架的控制需求。整個控制系統(tǒng)的電源選用KDW127 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源,可輸出100 ~250 V的交流電壓與12 V的直流電壓,輸出2 A的電流。
在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域,傳感器的種類與型號較多,同一種被測對象所用到的傳感器差別也很大,在煤礦井下使用的傳感器一定要選用符合標準的礦用傳感器。結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)廠商差別很大。本文針對煤礦井下的工作環(huán)境,采煤機、液壓支架所需測量的參數(shù)進行分析,分別選用了位移傳感器、壓力傳感器與位置傳感器。
位移傳感器選用北京天地瑪珂公司生產(chǎn)的GUC1200 磁致伸縮位移傳感器,通過測量液壓缸活塞動作時的位移,計算液壓支架在推移時產(chǎn)生的推移量。GUC1200 位移傳感器由測量桿、磁環(huán)、波導(dǎo)管、脈沖發(fā)射器和接收器等結(jié)構(gòu)組成,安裝于液壓油缸的端部。傳感器通過計算移動磁環(huán)產(chǎn)生脈沖到檢測電路探測到的時間,捕獲活塞產(chǎn)生的位移量。
位置傳感器選用北京天地瑪珂公司生產(chǎn)的GUH-5 型紅外傳感器。紅外發(fā)射器安裝于采煤機上,向外發(fā)射紅外信號;紅外接收器安裝于液壓支架,接受采煤機上發(fā)射來的紅外信號。接收器將信息傳輸?shù)教幚砥鳎ㄟ^計算傳輸時間得到采煤機的準確位置。
系統(tǒng)通過控制電磁先導(dǎo)閥來開啟或關(guān)閉主閥,進而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制。由于CPU的輸出端電流較小,無法完成電磁閥的驅(qū)動,所以需要單獨設(shè)計電路,本文的電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動電路如圖2所示。電磁先導(dǎo)閥的驅(qū)動電壓范圍為6 ~13 V,本文選擇12 V電壓作為電路的電源。輸入的電平信號首先經(jīng)過74LVC07高壓驅(qū)動器,放大電流信號,并提高驅(qū)動能力與信號的抗干擾性。電路中的EL3H7D光電耦合器對兩側(cè)電路進行隔離,避免兩側(cè)信號互相干擾。當電路輸入低電平時,光電耦合器中的二極管發(fā)光,光源被感光元件接收,PNP三極管的N極輸入低電平,驅(qū)動電路導(dǎo)通,實現(xiàn)電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動功能。
圖2 電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動電路設(shè)計
系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計的方法,通過主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的主程序流程如圖3 所示,主程序中包括支架的監(jiān)測子程序、串口通信子程序、升降架子程序與推溜子程序等。系統(tǒng)在初始化與自檢無故障后,啟動串口通信子程序與監(jiān)測子程序,檢測液壓支架的工作參數(shù)與采煤機的位置信息,通過檢測到的數(shù)據(jù)再判斷執(zhí)行升降架子程序與推溜子程序。
圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計
本文結(jié)合井下環(huán)境與液壓支架控制要求,設(shè)計了一種基于PLC控制器的支架自動控制系統(tǒng),系統(tǒng)價格便宜,功能豐富,自動化程度高,可滿足煤礦的日常生產(chǎn)要求,并且具有較好的節(jié)能性,為煤礦帶來一定的經(jīng)濟效益。