液压支架跟机自动化系统设计.pdf

第 3 9卷 第 1 2 期 2 0 1 3年 l 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 3 9 NO ．1 2 De c ．2 01 3 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 3 1 2 0 0 0 1 0 4 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 1 2 ． 0 0 1 朱金雨 ， 李 国莲． 液压支架跟机 自动化系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 2 1 - 4 ． 液压支架跟机自动化系统设计 朱金 雨 ， 李 国莲 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对 目前液 压 支架 电液控 制 系统 自动化 程度低 的 问题 ， 设计 了一 种液 压 支架跟机 自动 化 系统 。该 系统以采煤机 牵引位置和方向为基准， 根据预先设定的液压支架动作规则控制液压支架动作， 使液压支架可 跟 随采煤 机及 时有 序地 进行 带压 移 架和成 组推 溜操 作 。测试 结果 验证 了该 系统 的可行 性 。 关键 词 综采 工作 面 ；采煤 机 ；液 压 支架 ；跟机 自动化 ；P L C 中图分类号 TD6 3 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 3 1 1 2 8 1 7 1 4 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 1 1 2 8 ． 1 7 1 4 。 0 0 1 ． h t ml De s i g n o f ma c hi n e r y t r a c k e d a ut o ma t i c s y s t e m o f h y d r a u l i c s u pp o r t Z HU J i n - y u ，LI Gu o l i a n S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o bl e m o f l o w a ut o ma t i c d e g r e e of c ur r e n t e l e c t r o hy dr a u l i c c o n t r ol s y s t e m o f h yd r a ul i c s up po r t ，a ma c h i ne r y t r a c ke d a ut oma t i c s y s t e m of hy dr a u l i c s up po r t wa s d e s i g ne d．The s ys t e m t a k e s t r a c t i o n p o s i t i o n a n d d i r e c t i o n o f s h e a r e r a s r e f e r e n c e ，a n d a c c o r d s t o p r e s e t a c t i o n r u l e o f h y d r a u l i c s up po r t t o c o nt r o l a c t i on o f t he hyd r a ul i c s u pp or t ，S O a s t o ma ke t he hy d r a u l i c s up po r t t o t r a c k t he s he a r e r t o f i ni s h op e r a t i ons o f s l i d i ng a d v a nc e o f s u pp or t a nd g r ou pe d pu s hi ng t i m e l y a n d or d e r l y．Te s t r e s ul t v al i da t e s f e a s i bi l i t y o f t h e s y s t e m ． Ke y wo r ds f ul l y me c ha n i z e d c o a l f a c e； s h e a r e r ； hy dr a u l i c s up po r t ； ma c h i ne r y t r a c k e d a ut o ma t i on； PI C 0 引言 液压支架是综采工作 面的支护设备 ， 具有维护 综采工作面的作业空间、 保 障工人生命安全 、 实现 自 移 和推 溜 的作用 。液 压支 架跟 机 自动化 技术 是先 进 采煤技术 的标志l_ 1 ] ， 但 目前煤矿液压支架电液控制 系统主要依靠人工控制， 自动化程度低。因此 ， 有必 要对液压支架跟机 自动化 系统进行研究 ， 实现综采 工作面的 自动化 、 信息化和少人化， 为安全、 高效采 煤提供技术保障。 1 系统 总体 设 计方 案 液 压支 架跟 机 自动化 系统 的核心 是根 据采煤 机 牵 引位 置 和方 向控制 可使 液压 支架 自动 动作 的电液 控制系统。电液控制系统由电子计算机、 传感器 位 移 、 压力 传感 器 和 液压 控 制 部 件 组 成 ， 通 过 由计 算 机程序控制的电子信号驱动电液换 向阀动作 ， 将手 动操作变为 自动动作 。系统总体结构如图 1所示 。 液 压支 架跟 机 自动 化 系 统 由支 架 控 制 器 、 电液 控制阀组、 压力传感器 、 位移传感器、 红外接收器、 巷 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 - 1 9 。 基金项 目 教育部创新团队发展计划项 目 I RT 1 2 9 2 。 作者简介 朱金] 1 9 8 3 -- ， 男 ， 内蒙古赤 峰人 ， 工程师 ， 工程硕士 ， 主要从事矿井电气 自动化研究工作 ， E ma i l 9 4 3 6 9 3 6 6 q q ． c o rn。 ． ll◆ { ～ 果 一 ～成 一 一研 一 ～科 一 毛 f ● l’ 2 工矿 自动化 2 0 1 3 年 第 3 9卷 井上 工业 以太网 巷道 I 通 信网 络卜 ． 人机交 互平台 工 作 面 ⋯ ⋯ 西 西 i 丽 网络通信模块 _ _ E 疆 输匦 输 入 l 塑 塑 竺 望 l出 模 I 邻 架 控 制I模 块 块 抬底座、喷雾等 图 1 液压支架跟机 自动化系统总体结构 道控制机 、 网络变换器等组成， 所有的支架控制器节 点通过现场总线通信 ， 构成综采工作面液压支架电 液控 制 系统 2 ] 。 1 ． 1 支架控制 器 支架 控制 器是 液压支 架 电液 控制 系统 的核心 部 分 ， 它由输入／ 输出模块、 网络通信模块 、 处理器模块 等组 成 ， 各模块 相 互 协调 ， 监控 液 压 支架 的工 况 接 收压力传感器 、 位移传感器等数据并分析 ， 显示液压 支 架 的工况并 实 时控 制 液 压支 架 的动 作 ； 接 收操 作 者 的指令 或监 控 室 的数 据 ， 按 照 预先 设 定 的规 则 开 启 或 关 闭 电 液 控 制 阀 组 ， 实 现 液 压 支 架 的 有 序 动 作 ] 。 1 ． 2 电 液 换 向 阀 电液换向阀是液压支架跟机 自动化系统的执行 部 分 ， 控制液 压缸 的伸 和缩 2个 动 作 。若 系 统 出现 故障或处于手动控制状态下 ， 可通过按压推杆使先 导 阀动 作 ， 实现对 液压支 架 的人工 控制 。 1 ． 3 电磁 线 圈驱动 器 电磁线圈驱动器安装在支架控制器与电磁先导 阀之 间 ， 驱 动 电液 换 向 阀动 作 。支 架 控 制器 向其 提 供电源， 并发送控制信号， 完成对各单元 电磁先导阀 的规律 供 电 ， 控 制 电液 换 向阀 的阀位 。 1 ． 4双 路 电 源 箱 双 路 电源箱 即 电源变 换 装 置 ， 将 煤 矿 工作 面 的 9 0 2 5 0 V交 流 电源变 换成 1 2 V 直流 电源 ， 向支 架 控制器供电， 保证液压支架跟机 自动化系统各节点 正 常工作 。 1 ． 5压 力传 感器 压力传感器的测量范 围为 0 ～6 0 MP a ， 由压力 传感元件组成 ， 通过外接直流 电源供电。压力传感 器安 装 在立柱 的测 压 孔 中 ， 把 监 测到 立 柱 下 腔 的压 力值转换为电压信号， 实时监视立柱的支护状况 ， 为 液压支架跟机 自动化系统的正常工作提供参考 。 1 ． 6位移 传感 器 位移传感器选用干簧管位移传感器， 其量程 为 0 9 6 0 mm， 安装在 液压缸 中。位移传感器 的作用 是 检测 千斤 顶活塞 杆 的伸 出量 ， 行 程 值 表示 液压 支 架或液压支架对应刮板输送机中部槽所处 的位置 ， 是液压支架跟机 自动化系统中的关键参数 ， 用 于显 示支 架移架 或推 溜是 否到位 。 1 ． 7红 外线检 测器 红外线检测器用来辅助检测采煤机的牵引方向 和位 置 ， 确 保采煤 机位 置准确 无误 。 1 ． 8 跟机 自动化通 信 系统结构 目前 ， 在 国内应 用 比较 广 泛 的液 压支 架 控 制 系 统 有 MA RC O 公 司 的 P M3 1系 统 、 DB T 公 司 的 P M4系 统 、 E E P公 司 的 P R 1 1 6系统 、 j o Y 公 司 的 R S 2 0 系 统 等 ， 笔 者 经 过 分 析 比 较 ， 提 出 基 于 P r o fi b u s DP和 R S 4 2 2总 线 的跟 机 自动 化 通 信 系 统 ， 其结构如图 2所示 。该系统以 R S 4 8 5双绞线或 光 缆 作 为 传 输 介 质 ， 一 方 面 ， 各 支 架 控 制 器 通 过 P r o fi b u s D P总线与跟机 自动化控制器通信 ； 另一 方 面 ， 相邻 支 架 控 制 器 间 的 通 信 采 用 RS 4 2 2总 线 ， 便 于进行 点对 点控制 。 采煤机控制器 嘏 由 藉 高 2 ． 1控 制 器 选 型 2 ． 1 ． 1 支 架控 制器硬 件选 型 支架控制器采用 S 7 3 0 0系列 C P U 作为中央 处理器 ， 另外配有电源、 数字量／ 模拟量输入模块 、 数 字量输出模块 ， 从而完成数据采集 、 支架动作控制 、 与跟机 自动化控制器通信等功能。 1 C P U 模 块 。 支 架 控 制 器 的 C P U 型 号 为 C P U3 1 4 C 一 2 DP 。C P U3 1 4 C一 2 D P是 一 款 用 于分 布 式 结构 的紧凑 型 C P U， 扩 展 了工作 存储 区 ， 可适 用 于中等规模的应用 ， 满 足 自动控制 的需求 ， 内置 的 2 0 1 3年 第 1 2期 朱金 雨等 液 压 支架跟机 自动化 系统设 计 3 。 D P接 口可连 接 到 现场 总 线 网络 上。C P U3 l 4 C一 2 DP既可用作局部单元进行快速预处理， 也可设 置 为 现场 总线 网络 中的 主／ 从 站 。 2 数据采集模块／ 控制模块。数字量输入模 块 主要接 收 支 架 控 制 器 发 送 的 数 字 量 控 制 指 令 信 号 ， 用于手动控制液压支架动作 。模拟量输入模块 可以接入热电偶、 热电阻、 4 ～2 0 mA 电流 、 0 ～1 O V 电压等 1 8种不 同的信号 ， 并 把模拟信 号转换成供 C P U 内部处 理 用 的 数 字 信 号 ， 实 现 P L C与 模 拟 量 信号的连接。数字量输 出模块主要发送数字信号到 电磁 线 圈驱动 器 ， 进 而改 变 电液 换 向阀 的 导通 状 况 和支 架液 压系 统 的 液体 流 向 ， 控制 支 架 动 作 。选 择 P L C相关模块之前 ， 应统计支架控制器的模拟量参 数和数字量参数 。考虑到液压支架跟机 自动化系统 的需求 ， 支架控制器检测的状态参数有 4路模拟信 号 立 柱下 腔压 力 、 立 柱 活 塞杆 位 移 、 推 移 千 斤 顶 位 移 、 采 煤机 的位 置 和方 向 由采煤 机 控 制 器 检 测 ， 结 果 通过 网络 发送 到 支 架 控 制 器 中 。支 架 控 制 器 的 数字量参数应根据液压支架 的动作确定 ， 不 同类型 的支架动作不同， 其控制器 的输 出参数不 同。本文 确定 了掩护式液压 支架控制器 的输 出参数 升／ 降 架 、 移架／ 推溜、 卸荷／ 带压 移架 、 伸／ 收平衡千斤顶、 伸／ 收护帮板 、 伸／ 收伸缩梁 、 伸／ 收侧护板 、 喷雾 、 蜂 鸣器 、 光输 出 、 闭锁 输 入 、 急 停输 入 。输 出参 数 中卸 荷／ 带压移架按钮与带压移架阀配合使用完成带压 移架 的功能 液压支架跟机 自动化系统发 出带压移 架指令时， 输出模块的卸荷指令发送到电液换 向阀， 带压移架阀工作 ， 进液 口的乳化液经减压 阀后进入 立柱下腔 ， 同时立柱上腔液体经带压移架阀流 回， 实 现支架移架的同时顶梁仍支护顶板 。 为保证支架控制器 的冗余可靠性 ， 各模块的配 置 如 下 数 字 量 输 人 模 块 型 号 为 S M3 2 1 D I 3 2 DC 2 4 V， 3 2点输人 ； 数字量输 出模块型号为 S M3 2 2 DO3 2 DC 2 4 V， 3 2点输 出 ； 3 传感器选型 。本文选用的压力传感器型号 为 J P F 2 8 D5 M1 6 0 MP a G； 矿用干簧管位移传感器 型号 为 J R 2 0 P 7 5 C 1 9 6 0 M 。 2 ． 1 ． 2 跟机 自动化控制器选型 跟机 自动化控制器是液压支架跟机 自动化系统 的核心元件 ， 一方面它与监控计算机通信 ， 读取与支 架跟机 自动化动作相关的参数及指令 ， 比如采煤机 的位 置及 方 向 ； 另一 方 面 ， 发送 控制 指令 到各 支架 控 制器 ， 控制各支架协调动作 ， 完成带压移架、 成组推 溜等动作。跟机 自动化控制器选用西门子 S 7 3 0 0 系列的 C P U3 1 7 2 P N／ DP 。该 C P U在 字指令、 双 字指令和 3 2 位定点数指令上具有极高的处理速度， 同时具有大容量程序存储区， 既适用于集 中式 I ／ 0 结构 ， 也适用 于分布 式现 场总 线结构 。C P U3 1 7 2 P N／ D P的第 1个 内置 MP I ／ D P接 口最 多 可 同 时 与 3 2个 S 7 3 0 0 ／ 4 0 0建立 连 接 ， 其 中 DP接 口支 持 最新的 P r o f i b u s D P V1标准； 第 2个 内置接 口是 基于 E t h e r n e t TC P ／ I P的 P r o f i n e t 接 口。 2 ． 2 跟机 自动 化 通信 系统硬 件设 计 跟机 自动化通信 系统采用西 门子 P L C作为跟 机 自动 化 控制 器 和 支 架 控制 器 ， P r o f i b u s D P网 络 的作用就是保 证 P L C C P U 的数 据交换 。s 7 3 0 0 P L C都有集成 P r o f i b u s DP的接 口， 通过总线连接 器 可 以很方 便 地 连接 到 网 络 中 ； S 7 2 0 0 P L C通 过 带有 D P接 口的 E M2 7 7 模块 连 接到 网络 上 。 液压支架跟机 自动化系统传输的数据分为检测 数据和控制数据 ， 2类数据的传输路径及对系统 的 要求不 同 检测数据 由支架控制器直接传输到跟机 自动化控制器， 采用总线传输方式 ； 控制数据在各支 架控制器传输 ， 要求 比较苛刻 ， 不允许 出现偏差 ， 应 采用点对点全双工通信方式。因此 ， 跟机 自动化通 信网络分为 P r o f i b u s D P总线 网络和 R S 4 2 2点对 点 网络 2个 部 分 ， 如 图 2所 示 。P r o f i b u s D P总 线 网络 的传 输 介 质 是 双 绞 线 ， 总线 的物 理 层 遵 循 R S 4 8 5 规范。R S 4 2 2 点对点网络 的传输介质是 4根 R S 4 2 2数据线 ， 采 用全双工工作模式 ， 抗 干扰能力 强 ， 传输距离远。 3系统 软件 设计 移架动作包括降、 移、 升 3个动作 ， 通过软件可 以实 现 3个动 作 的顺 序 自动控 制 。为 了实 现支架 顶 梁对 顶板 的有 效 支 护 ， 本 文采 用 带 压 移 架 方式 。支 架移架时 立柱下腔压力为 P 。 ， 通过带压移架阀的 作用 ， 安装 在立 柱 中 的压 力 传 感 器实 时监 测 立 柱 压 力 ， 当压力 达到 P 。时 ， 表 明带 压移 架 阀完 成 卸压 任 务 ， 开 始移架 。设置 卸压过 程 时间 为 t 。 ， 若 卸压 时 间 超过 t 。 ， 则表 明系统故障。当采取完全卸压移架时 ， 带压移架阀停止工作 ， 立柱下腔完全卸压 ， 支架顶梁 脱离顶板后开始移架 。 移架过程要设定移架的终止行程 S， 通常 s等 于采煤 机截 割深 度 ， 实 时行 程 通 过 安 装 在 推移 千 斤 顶 内的油缸位移传感器检测 。设定移架动作最大时 间为 t ， 若在 t 时间内支架移架不 到位 ， 再 通过带 4 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 压移 架 阀卸压 ， 同时 进行 移 架 动作 。设定 再 卸 压 时 间为 t 、 最大再移架次数为 C， 如果超 出再移架次数 移架仍不到位 ， 则 系统报警 。正常移架至终止行程 S后 ， 执行 升柱增 压 动作 。一 般情 况下 ， 支架 带压 移 架结束后立柱下腔的压力仍为 P 。 ， 顶梁对于顶板有 一 定的支护作用 ， 此时 ， 立柱的升柱过程实际是立柱 下 腔 的增 压过 程 ， 用 于保 证 立柱 下 腔 的压力 达 到 初 撑压力 ， 实现支架顶梁对顶板的完全支撑 。 此外 ， 移 架过程 还有 些附属 动作 ， 如平 衡千斤 顶 的伸缩 、 侧护 板伸缩 、 抬底 座 、 架 间喷雾等 ， 用 于实现 采煤机连续采煤和支架快速移架。 液 压支架 自动移架 流程 如 图 3所示 ， P 为液 压 缸进 油 腔压力 ， P 。 为 液压缸 回油 腔压力 。 匦匝 豳 至 匦 垂 巫 丫 I I 开始升柱动作 力达到p 1三 ＼ Y 开始伸护帮板 、 侧护板等动作 ＼ ● Y 侧护板等动作 l t 图 3 液压支架 自动移架流程 4上位 机监测 软件 设计 上位 机监 测软件 实现 对综采 工作 面所有 液压 支 架相 关工 作状 态参 数 、 采 煤 机 牵 引位 置 和 方 向 的采 集和显示 ， 存储液压支架的工况参数 ， 完成报警功能 和相关监测 系统参数 的设 置。其总体结 构如 图 4 所 示 。 在图形编辑器 中设计液压支架跟机 自动化系统 的监控 界面 ， 通 过 各 图形 直 观 显示 综 采 工作 面液 压 支 架等 相关设 备 的状 态 参 数 ， 为工 作 人 员 作 出决 策 提供依据 。 监 测 系 统 主 界 面 I 采 煤 机 牵 引 位 置 和 方 向 跟 机 一状 态 监 测 界 面t- -一 单 个 支 架 动 作 状 态 参 数 自 动 化一 叫 用 户 管 理 l 成 组 支 架 动 作 状 态 参 数 监 测 故 障 报 警 显 示I 系 统 叫数 据 归 档 、 查 询 I 图 4 上位机监测软件总体结构 5 结语 介绍 了液 压支 架跟机 自动 化系统 的硬 件构 成和 选 型 、 软件流 程设计 ， 在 实验 室有 限的条件 下完 成 系 统搭建 ， 验证该系统能够实现支架跟随采煤 机 自动 有序动作 、 数据实时采集 、 上位机数据显示及现场监 控 功能 。由于液压 支 架 实 际工 况 的复 杂性 ， 需要 作 进 一 步的研 究 1 由于煤矿井下工况的复杂性 ， 液压支架 、 采 煤机 、 刮板输送机间的约束关系有待进一步研究 ， 同 时应考 虑突 发情况 对 系 统 的影 响 ， 以保 证 系 统 的 可 靠性 。 2 该 系统 中 的支 架控 制器 和 跟机 自动化 控 制 器均选 用 P L C进行 开发 ， 由于 P L C成本 较 高 ， 可 以 开发 以 A RM 单 片机为 核心 的控制 器 ， 以减 小 成本 ， 扩展 系统功 能 。 3 现场监控设备与系统的通信采用有线介质 传输 ， 可研究无线通信方式的现场监控设备 ， 便于井 下工 作人员 方便 快捷地 查询 支架 的工 况 ， 调 整支 架 ， 保证 系统 的正 常运行 和支架 的支 护效 果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王 国法． 液压支架控 制技 术[ M] ． 北京 煤 炭工业 出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 蔡 晓巍． 基 于双 C AN 总线 液压 支架 监控 系统 的设 计 [ D ] ． 南昌 南 昌大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 李保朝． 液压支架 电液控制技 术研究 与应 用[ J ] ． 中州 煤炭 ， 2 0 0 6 2 7 - 8 ． [ 4 ] 郭科伟． 液压支架电液控制系 统的研究 与实现 [ D ] ． 重 庆 重庆大学 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 诸言军． 基于 P M3 1系统的液压 支架成 组 多架 同步 自 动控 制的研究 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 6 7 3 7 5 ． r 6 ] VI TTURI S ．S t o c h a s t i c mo d e l o f t h e Pr o f i b u s DP c y c l e t i me [ J ] ． S c i e n c e ，Me a s u r e me n t a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 1 5 1 5 3 3 5 - 3 4 2 ．