液压支架网络控制系统研究.pdf
2 0 1 3年第2期 中州煤炭 总第2 0 6 期 液压支架 网络 控 制 系 统研 究 杨 宏峰 , 何 光辉 郑州煤矿机 械集团股 份有限公 司, 河 南 郑 州4 5 0 0 1 3 摘要 通过液压支架 网络控制 系统硬件 组态和软件设 计, 实现液压支架 的多种控制功能。针对该系统可能 出 现的响应滞后 因素和安全性 因素 , 对 网络性 能进行理论分析和 计算, 提 出了改善 系统响应速度和安全性能 的 方案 , 并通过试验从 系统功能和稳定 性 2个 方面进行 了验证 。 关键词 液压支 架; 网络控制 ; 主控 制器 ; 从控制器 中图分类号 T D 3 5 5 . 4 7 文献标 志码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 0 2 0 0 1 7一 O 2 我 国现代化矿井现有的液压支架 自动控制装置 均从国外引进 , 配件 由独家厂商提供 , 价格较高 , 且 后 期维 护周 期长 。而 国 内至今 没有成 熟稳 定 的产 品 推 向市场 , 其 中一个重要原因就是 网络控制 系统不 够稳定 、 可靠 。根据调研资料发现 , 目前液压支架系 统均采用不 同类型的单片机进行控制 。单片机开发 周期长 , 可靠性难 以保证。本文采用性能稳定 、 功能 齐 全 、 价格较 低 的 小 型 P L C作 为 控 制 器 , 以缩 短 开 发周期 , 提高系统的稳定性 。 1 系统功能分析 液压支架控制系统主要由主控制器和从控制器 实现控制功能。 1 . 1主控 制器 每套控 制 系统至 少需要 1 个 主控 制器 对所有 从 控制 器及对 应 液压 支架 进行 监 控 , 由 主控 制器 把 所 得数 据送 至上 一层 网络 直 到监 控 室 , 使 地 面 工作 人 员及 时 了解 井 下工作 状态 。 1 . 2从控 制器 每个液压支架配备 1个从控制器 , 根据液压支 架的要求具有不同的功能 , 以控制支架的所有动作。 以应 用程 序为 基础 , 操 作 者 通 过从 控 制 器 按 键操 作 给出的命令 或根据采煤机位置主控制器发出的命 令 、 传感器检测的实时值和用户设置 的各种参 数 是 系 统进行 控制 的条 件 。控制 系统发 挥计 算机 网络 控制技术优势 , 赋予系统丰富的功能, 使支架控制方 便 、 灵活、 协调 、 安全 , 尤其是应用程序修改的易行性 和控制参数项 目的多样 及可调性 , 可实现控制功 能 收稿 日期 2 0 1 21 1 0 3 作 者简介 杨宏峰 1 9 8 O 一 , 男 , 河南 焦作人 , 助理 工程师 , 2 0 0 5年 毕业于河南理工大学 , 现从事液压支架设计工作 。 与工作面条件及生产工艺相匹配 。 从控制器 的功能大致分为 6个方面 ①通过按 键对单个支架单个动作 的控制 ; ②对单个支架几个 动作的 自动控制 ; ③成组 自动控制; ④以采煤机位置 为依据对支架 自动控制; ⑤闭锁及紧急停止功能 ; ⑥ 信 息 处理功 能 。 2 系统设计 该 网络 控制 系统 由 3层 网络 组建 图 1 。顶 层 是 状 态监控 层 , 中层 是井下 主控 制器 , 底层 由每个 支 架 的从 控制 器及 其扩 展 的智能模 块组 成 。 图 1系统 组 成 示 意 顶层 网络 由计 算 机 、 显 示 器 、 C P 5 6 1 1卡 及 相 关 配件 组成 , 主要 显示 主 控 制 器 和从 控 制 器 的工 作 状 态 , 操作人员通过计算机设定试验参数、 发出相关命 令以及完成存 储、 记录 、 打 印数 据等 ; 中层 网络 由 S 7 . 2 0 0系列 P L C及相 关辅 助 电路 构成 , 主要监 控 各 从控制器的工作状态 , 实现工作参数设定 、 紧急制动 及联动总控制等 ; 底层 网络 由 s 7 2 0 0系列 P L C 、 压 力传感器 、 位移传感器 、 红外传感 器、 电液 阀、 HMI 、 电源模块 、 模拟量扩展模块 、 数字量扩展模块及相关 辅助电路等组成 图2 , 负责监测液压支架的压力 、 位移等状态 , 控制液压支架的动作等[ 2 ] 。 中层网络与顶层 网络通过 MP I 电缆连接, 与底 1 7 2 0 1 3 年第 2 期 中州煤炭 第 2 0 6 期 层 网络 采用 网络连 接 器 连接 ; 网络 底 层 之 间 同样 采 用 网络 连接器 连接 ; 网络 连 接器 之 间 采 用 四芯 屏 蔽 电缆连 接 ; 底 层 网 络包 括 大 量 的 从 控 制 器 、 扩 展模 块 、 H MI 、 电磁 阀 、 按钮 、 指示 灯 等 , 其 结 构 如 图 2所 不。 H M I J 连接 l s 7 2 0 o l E M 2 2 2 l E M 2 3 1 模拟量部分I I 开关量部分 压 力 传 感 器 1 霉 I l囊 I I茎 {l蠢 l{篓 l l蠢 图 2底 层 网络 结 构 示 意 故 障 指 示 灯 3 网络性能分析 与计算 影 响 网络性 能 的 因素 有 波特 率 、 网络 中的 主站 个数 、 主站 和从 站地 址 的选 择 、 间隙 刷 新 因子 、 最 高 站地 址等 。其 中 , 波特 率和 主站个数 的影 响最大 。 1 从 经济 和 效 率 两 方 面 综 合 考 虑 , 波 特 率 定 为 1 9 2 0 0 。 2 为减 少 主 站 数 目, 当从 控 制 器 执 行 主 站 操 作后立即恢复到从站状态 , 从而最大限度减轻网络 主站 负担 。 3 定 义 固定 主站 地 址 时 , 通 过 确 保 地 址 连 续 性减 少 网络负 载 。 4 由于支 架 控 制 方 式 变 换 周 期 较 长 , 只有 遇 到特 殊情 况时 才 会 改 变 动作 方 式 , G U F设 置 为 l 0 , 足 以使 系统做 出反应 。 5 H A S的设 置数 值需 根据 系统 中控制 器 的数 量来 确定 。 4 系统安全性设计 井下 网络 控制 系统 的安全性 能要求 主要 有稳定 性和突发性两方面。稳定性是指邻架控制 、 成组控 制 、 联动控制等需要通过通信方式发出命令时, 要求 网络通信及时准确地将命 令发送至指定从控制器 , 使 得液 压支架 按 照指 令 完 成动 作 , 辅 助 采煤 机 顺 利 完成综采任务。突发性要求是指 当某段 电缆被压 断 、 井 下突然 断 电 、 大 幅度 电压 和 电流波动 或 出现其 他不正常现象时 , 网络系统依然能够保证工作面人 员和设 备 的安全 。其解 决方 案如下 。 .1 8 . 1 采用 奇 偶 校 验 。通 过 简 洁 的校 验 , 快 速 判 断通信信息的准确性。 2 采用软件去抖动。通过软件设计 , 在每个 通信命令发出后延时 5 0 m s 后再次确认 , 可以减少 意外 操作 或者外 界 不正 常 电压 、 电 流干 扰 造成 的误 动作 。 3 合理安装。导线必须安装合适的浪涌抑制 器 , 可 以避 免浪 涌 , 保 护 设 备 ; 应 避免 将 低 压信 号 线 和通信电缆与交流导线和高能量 、 快速开关的直流 导线布置在同一线槽中; 要成对使用导线 , 用中性线 或公共线与能量线或信号线配对 ; 每隔 5 0 m安装 1 个 R S 48 5中继器 , 进行网络隔离 , 同时保证通信信 号 的强度 。 4 连 接环形 网络 。在 工作 面 的两端 配 置 2个 主 控制器 , 将整个 网络 首 尾相 连 , 当一 处 断开 , 整 个 网络仍然 保持完 整 的通信 。 5 多 主控 制 。通 过 软件 设 计 , 让 每 个 控 制 器 必 要时均 可 以通过 操 作进 入 主 站模 式 , 控 制 相邻 若 干 架支架 的动作 。 6 设 置备 用 电源 。 在 主 电 源 断 电 条 件 下 , 通 过 电液 阀独 立 电源供 电 1 ~2 h , 让 操作 人员 手 动调 整支架 , 保证支架支撑力 , 安全等待再次供电。 7 高低 压 隔离 。具有 不 同参 考 电位 的互联 设 备 可能 导致 干扰 电流流过 连接 电缆 。干扰 电流可能 导 致通信 错误 或设 备 损坏 , 要 确 保 所有 由通 信 电缆 连 接在一 起 的设 备 具 有相 同的 参考 电位 , 或 彼此 隔 离 , 以避 免产 生干扰 电流。所 有 与 P L C相连 的低压 电路与交 流 电路或 高压 电路 之 间采取 隔离措施 。 5 结语 通 过地 面试 验 , 对 系统 的功 能 和稳 定性 进 行 了 充分 的测 试 , 系统可 顺利 实现现 场所需 的各种 功能 , 动作稳 定 可 靠 , 控 制 器 间 通 信 衔 接 平 均 用 时 9 3 0 ms , 可 满足 系 统 要 求 。试 验 中 , 系统 完 成 测 试 任 务 十几万次 , 控制器之 间通信稳定可靠 , 在大功率变频 器 和变频 电机 的干扰下 , 仍可稳 定运 行 。 参 考文献 [ 1 ] 冯述虎. 矿山信 息系统组 件化开 发方法研 究 [ D]北 京 中国 矿业大学 北京 , 2 0 0 4 . [ 2 ] 荣延平. 液压支架 网络 控制与 监测系统研 究 [ D] . 北京 中国 矿业大学 北京 , 2 0 0 8 . 责任 编辑 许 久峰 急停按钮