煤矿综采面液压支架电液控制系统设计

梁 凯

(西山煤电(集团)有限责任公司 职业病防治所，山西 太原 030053)

0 引言

液压支架作为井下采煤工作面的关键支护设备，是完成井下煤炭开采、运输及支护过程综合机械化的重要保障[1-4]。液压支架的主要作用是对煤矿综采工作面的顶板及矿山压力进行有效支撑及控制，从而起到综采面防护和结构支撑作用，并与综采面采煤机及刮板输送机实现联动工作，保证整个采煤过程安全、高效进行[5-7]。液压支架主要由以液压缸为主的液压传动机构和电液控制系统组成，通过电液控制系统对液压缸进行控制，从而实现对液压支架的动作控制、补压、闭锁急停等操作[8]。可以看出，液压支架控制系统的性能及智能化程度很大程度上决定了综采工作面的自动化水平及工作效率。

目前国外针对液压支架自动控制系统等关键技术的研究相对成熟，受技术封锁及设备进口成本高等因素影响，国内多数煤矿的开采装运仍然依靠人工现场完成，开采效率及安全性受到严重影响。具备液压支架电液控制系统的煤矿多以进口设备为主，并不具备自主知识产权，因此系统造价和维修成本很高，经济性较差。针对上述问题，本文设计了一种基于PLC控制的液压支架电液控制系统，系统通过位移、压力等传感器对液压支架的移动位置、油缸压力等重要参数进行实时监测及反馈，通过PLC对液压支架的动作时间、速度及工作方式进行自动控制，有效降低了综采面的人力投入，提高了综采面的生产效率及安全性。

1 液压支架电液控制系统总体设计方案

1.1 液压支架电液控制系统功能需求分析

在对该控制系统进行总体设计前，首先需要对系统主要功能进行分析。液压支架电液控制系统主要通过PLC、各类传感器与上位机的联合工作对液压支架实施有效的自动控制及监测，从而代替人工监控。具体功能需求分析如下：

(1) 可实现对液压支架的远程动作控制。系统可根据传感器的反馈数据通过PLC及控制程序控制液压支架自动完成单架或成组升降柱、平衡梁及侧护板伸缩、推溜、移架等操作，还可无扰动切换至手动模式进行人工按钮操作。

(2) 具备运行参数实时采集监测功能。控制系统可对液压支架的油缸压力、位移量及采煤机的行程及位置等参数进行实时采集，用于向控制系统提供控制反馈，从而对液压支架进行实时动态控制。

(3) 具备急停闭锁及故障报警功能。当液压支架处于固定状态时，控制系统可对其实施闭锁；当液压支架处于故障状态或遇到突发情况时，控制系统可对其进行紧急停机及声光报警，并对事件进行记录。

(4) 具备智能化自动控制功能。控制系统可根据红外传感器实时反馈的采煤机位置信息对液压支架进行自动跟机控制；控制系统可通过压力传感器实时反馈液压支架的油缸压力，当压力下降时控制液压支架进行自动补压，无需进行人工补压操作。

1.2 液压支架电液控制系统架构

根据上述功能需求分析，本文采用模块化设计对液压支架电液控制系统进行架构，系统总体结构如图1所示。根据各模块所实现的不同功能，该控制系统主要划分为PLC主控模块、上位机监控平台、参数采集模块以及执行机构模块等部分。PLC主控模块用于控制指令的上传下达及工况参数的收集与上传，是整个系统的控制核心。参数采集模块主要由油压、位移及红外等各类传感器组成，用于实时采集液压支架油缸油压、位移及采煤机位置等关键参数。上位机监控平台主要由搭载电液控制系统软件的计算机、不间断电源及打印机等设备组成，用于参数的实时显示、分析处理及控制命令的下达。执行机构模块主要为液压支架动作机构，用于执行PLC的控制指令，实现相应支架功能。

图1 液压支架电液控制系统总体结构框图

2 硬件方案设计

液压支架电液控制系统的硬件方案设计内容主要包括PLC主控模块选型设计以及参数采集模块的选型设计。其中，PLC主控模块的设计主要包括对PLC主控器CPU、电源模块、通讯接口以及数字量、模拟量输入输出模块的选型设计；参数采集模块设计主要内容为油压、位移及红外传感器的选型设计。

PLC主控器是电液控制系统的核心，其运行可靠性及性能是保证控制系统控制效果及响应速度的关键。由于电液控制系统所需的I/O点数及存储容量适中，结合经济性本文选用西门子S7-300 PLC作为系统的主控模块，处理器选用313C-2DP紧凑型CPU，其内部具有32 kB随机存储器及16路数字输入及16路数字输出，内置Profibus DP主/从接口，同时支持RS485及CAN总线通讯。电源模块选用PS307 24 V 10 A，可完全满足主控模块的供电需求。由于CPU自带的模拟数字量接口有限，因此主控模块需额外配备模拟量及数字量输入输出模块，其选型分别为SM321(DI)、SM322(DO)、SM331(AI)、SM332(AO)。

数据采集模块主要由油压传感器、位移传感器及红外传感器组成，本文选用GPD60(A)型矿用压力检测传感器对液压支架液压缸油压进行监测。GPD60(A)的测压范围为0～60 MPa，工作电压采用12 V DC，基本误差可稳定维持在±1%FS，输出信号为4 mA～20 mA标准电流信号或0 V～5 V电压信号，可满足本系统的油压监测需求。

位移传感器是检测液压支架行程及位移量的主要设备，本文采用MTL3型矿用磁致伸缩位移传感器对支架推移行程进行监测。MTL3传感器的测量范围为100 mm～1 200 mm，线性误差及迟滞可稳定维持在0.05%FS及0.001%FS之下，其分辨率高达0.001%，可输出4 mA～20 mA DC、0 V～5 V/10 V DC标准信号，同时支持RS485通讯方式，可满足本系统的支架位移测量需求。

本文通过红外传感器对采煤机位置及液压支架动作进行精确判断，从而实现自动跟机等智能控制功能。红外传感器选用GUH5-S(F)型红外收发器，其有效照射及接收距离为0～3 m/0～5 m，发射及接收角度为-20°～+20°/-40°～+40°，采用12 V DC供电方式，支持RS485总线通讯，现场可将红外发射器及接收器分别安装于采煤机及液压支架上，实现二者位置信息交互。

3 软件方案设计

电液控制系统软件功能主要包括对单个或成组支架的升降柱及推溜等动作的自动控制及自动补压功能。当上位机系统下达升、降柱指令时，系统可对控制模式进行选择，当系统判断采用自动控制模式时，PLC将立即做出响应，完成开机报警后主控器开启升、降柱，电磁阀执行相应操作，并通过参数采集模块对液压支架的油缸压力及位移量进行实时监测，当压力及位移参数达到升、降柱要求时，系统自动控制升、降柱，电磁阀关闭，整个支架动作完成。液压支架的推溜操作控制原理与升降柱控制相同。电液控制系统升降柱及推溜操作控制程序流程如图2所示。

图2 电液控制系统升降柱/推溜动作控制程序流程图

为了确保每台液压支架在完成拉架操作后其支撑力达到系统要求，本文对液压支架自动补压程序进行了设计。系统首先通过参数采集模块对液压支架立柱压力进行实时监测，当立柱压力未达到系统预设值时，上位机监控平台将下达自动补压指令，由主控模块执行支架自动补压供液操作。当对某一支架的补压操作执行超过3次后支架的支撑力仍未达到系统预设值时，则判定自动补偿失败，此时系统会立即停止补压并由主控模块发出报警信号。自动补压控制程序流程如4所示。

图3 自动补压程序流程图

4 结束语

本文在对煤矿综采面液压支架控制系统功能需求分析的基础上，结合传感器及电液控制技术对其电液控制系统进行了硬件及软件方案设计。系统通过油缸压力及支架、采煤机行程参数的反馈对液压支架的基本动作进行控制，实现了液压支架的自动跟机及自动补压功能，通过该系统有效提高了煤矿综采面的智能化程度。