基于PLC 的液压支架控制器设计

韩玉冰

（山西兰花集团股份有限公司伯方煤矿分公司，山西晋城 048400）

0 引言

液压支架作为煤矿综采三机之一，负责整个生产工作面的支护任务，是保障生产安全的关键设备［1］。液压支架的控制系统是支架的核心部分，保持与巷道调度室和地面的通讯，控制液压支架完成单架动作与成组顺序联动等动作，实现综采工作面的自动化生产，提高生产效率，减少作业人数［2-3］。目前国内大多数煤矿的液压支架控制系统依赖进口，价格高、维修困难［4］。近年来国内计算机与自动化技术快速发展，煤炭采掘技术逐渐成熟，液压支架的控制技术成为众多国内学者的研究课题，并在此方面取得了优秀的成果，基本满足煤矿的生产要求［5］。本文将对煤矿液压支架的控制器进行研究与设计。

1 液压支架控制系统分析与设计

液压支架主要由立柱、千斤顶、顶梁、掩护梁、底座、推移装置和控制系统等装置组成，支架主要依靠液压原理工作，由安设于硐室中的乳化液泵站提供液压油，当液压油进入立柱后，支架撑起顶板，通过安全阀调节液压系统的压力，实现顶板的恒阻支撑。支架在移动时，首先降低立柱高度，千斤顶动作，以刮板输送机为基点推移液压支架，然后再以支架为基点推移刮板输送机，从而实现综采工作面采煤、支护和运输的自动化生产，提高工作效率［6-7］。

液压支架控制系统向各个支架发出程序指令，控制液压系统中电磁换向阀的动作，实现对各液压支路于液压缸的供液、回流等相应动作。系统在控制过程中，通过传感器采集采煤机的位置信号，根据数据处理所得到的反馈信息来决定与控制各支架的动作顺序。液压支架控制系统的整体结构如图1所示，包括计算机、PLC控制器、电源模块、存储模块、人机交互模块与各类传感器装置。控制器是整个控制单元的核心，主要负责处理传感器采集到的数据，向电磁阀组发出控制指令。压力传感器安装于液压支架立柱的测压孔中，测量立柱液压缸中的压力。位移传感器安装于推移油缸内部，测量推移油缸在动作时的位移量，保证动作的精确性。内端部的用来测量推移油缸的位移。位置传感器安装于采煤机中部，采集采煤机的实时位置信息，实现自动跟机控制。控制系统的执行元件为液压支架中的电磁阀组，通过控制电磁先导阀的动作，进而开启或关闭主阀，实现各个液压缸的伸缩控制。

图1 液压支架控制系统的整体结构设计

2 系统硬件部分设计

控制系统的硬件部分主要由控制器、电源、压力传感器、位移传感器、位置传感器等组成，本节将对上述硬件结构进行选型设计。

2.1 控制器及电源选型设计

本文选用PLC可编程控制器作为系统的控制装置，PLC控制器是一种工业自动化控制器，结合微电子技术与自动化技术，实现对被控对象的可靠控制，由于其具有较好的稳定性与适应性，逐渐成为工业控制领域的主要选择之一。液压支架对控制系统的主要求：系统可稳定控制各支架的推流动作、顺序动作等功能；可与综采三机其他设备的控制与监测环境兼容，保证设备联合工作的安全性与可靠性；适应井下工作环境，有较强的抗击能力［8］。

综合考虑液压支架的功能要求，本文选用西门子PLC的S7-200 系列CPU226作为控制系统的核心处理器。CPU226具有24个输入位、14个输出位、4个模拟量通道，满足液压支架的控制需求。整个控制系统的电源选用KDW127 矿用隔爆兼本质安全型电源，可输出100 ～250 V的交流电压与12 V的直流电压，输出2 A的电流。

2.2 传感器选型设计

在现代工业控制领域，传感器的种类与型号较多，同一种被测对象所用到的传感器差别也很大，在煤矿井下使用的传感器一定要选用符合标准的矿用传感器。结构和生产厂商差别很大。本文针对煤矿井下的工作环境，采煤机、液压支架所需测量的参数进行分析，分别选用了位移传感器、压力传感器与位置传感器。

位移传感器选用北京天地玛珂公司生产的GUC1200 磁致伸缩位移传感器，通过测量液压缸活塞动作时的位移，计算液压支架在推移时产生的推移量。GUC1200 位移传感器由测量杆、磁环、波导管、脉冲发射器和接收器等结构组成，安装于液压油缸的端部。传感器通过计算移动磁环产生脉冲到检测电路探测到的时间，捕获活塞产生的位移量。

位置传感器选用北京天地玛珂公司生产的GUH-5 型红外传感器。红外发射器安装于采煤机上，向外发射红外信号；红外接收器安装于液压支架，接受采煤机上发射来的红外信号。接收器将信息传输到处理器，通过计算传输时间得到采煤机的准确位置。

2.3 电磁阀驱动电路设计

系统通过控制电磁先导阀来开启或关闭主阀，进而实现对液压系统的控制。由于CPU的输出端电流较小，无法完成电磁阀的驱动，所以需要单独设计电路，本文的电磁先导阀驱动电路如图2所示。电磁先导阀的驱动电压范围为6 ～13 V，本文选择12 V电压作为电路的电源。输入的电平信号首先经过74LVC07高压驱动器，放大电流信号，并提高驱动能力与信号的抗干扰性。电路中的EL3H7D光电耦合器对两侧电路进行隔离，避免两侧信号互相干扰。当电路输入低电平时，光电耦合器中的二极管发光，光源被感光元件接收，PNP三极管的N极输入低电平，驱动电路导通，实现电磁先导阀驱动功能。

图2 电磁先导阀驱动电路设计

3 控制系统软件设计

系统的程序采用模块化设计的方法，通过主程序调用子程序实现系统功能。系统的主程序流程如图3 所示，主程序中包括支架的监测子程序、串口通信子程序、升降架子程序与推溜子程序等。系统在初始化与自检无故障后，启动串口通信子程序与监测子程序，检测液压支架的工作参数与采煤机的位置信息，通过检测到的数据再判断执行升降架子程序与推溜子程序。

图3 控制系统主程序流程图设计

4 结束语

本文结合井下环境与液压支架控制要求，设计了一种基于PLC控制器的支架自动控制系统，系统价格便宜，功能丰富，自动化程度高，可满足煤矿的日常生产要求，并且具有较好的节能性，为煤矿带来一定的经济效益。