液压支架电液控制系统的研究与实现.pdf

重庆大学 硕士学位论文 液压支架电液控制系统的研究与实现 姓名郭科伟 申请学位级别硕士 专业仪器科学与技术 指导教师李志敏 20120531 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本课题是郑州煤矿机械集团液压支架电液控制系统研制项目的重要组成部 分，是针对目前国外电液控制系统价格昂贵，维修、升级困难，供货周期长，以 及对我国井下煤矿环境适应性差，国内液压支架电液控制系统核心技术不成熟、 工艺水平相对落后提出的一个重要课题。因此，研究具有自主知识产权的液压支 架电液控制系统具有重要的意义。 本文的主要研究工作如下 ①对综合采煤工作面上液压支架的实际工作环境及液压支架的动作进行了 现场调研，结合井下具有多年液压支架操作经验的操作工的建议，参考国外支架 控制器的控制功能，确定了系统的控制功能及控制方法。 ②根据液压支架动作及工作状态情况，详细分析了设计本系统所需要的 C P U 资源，诈通过几种常用的控制芯片的对比，确定了本系统所用的C P U ；设计 了支架控制器的前后面板、输入／输出接口、急停与闭锁按钮、人机界面、最小系 统、A 『D 采样电路、通信电路、开关量输入电路、保护电路、开关量输出电路及 系统的通信网络。在一些电路中添加了过压保护，抗干扰措施，增强了系统的稳 定性。 ③对支架控制器的软件进行了设计，首先对软件进行了总体设计，主要分为 两类一类是系统的初始化；另一类是各个子模块的软件功能，包括加采样、 输入／输出信号处理模块及通信网络的C R C 校验程序等软件功能设计。为方便系 统的调试与升级，留有J T A G 接口，并采用模块化设计，大大提高了系统运行效 率。 为适应我国煤炭工业的健康、快速发展，在郑州煤矿机械集团的资金与技术 支持下，本贮开展了适应我国井下环境的液压支架电液控制系统设计，并对开发 的部分功能进行了调试与实验。实验结果表明，各项指标均达到实用要求。 关键词液压支架，支架控制器，电液控制，通信网络，C R c 校验 A B S T R A C T Ⅲst o p i ci sa ni m p o r r t 觚tp a no f m eZ h e n g z h o uC o a lM i l l i n g M a c l l i n e r yG r o u p r e s e a r c hp r o j e c to nh y d r a u l i cs u p p o r t se I e c 们一h y d r 砌i cc o n 仃0 1s y s t e m ，m ef o r e i 伊 e l e c 仃o 。h y 血m l i cc o n 俩ls y s t e mh a sad i s a d v a l l t a g eo fh i 曲c o s t ，i n c o n V e n e mu p d a t e 锄dr e p a 址l o n gs u I p l yc 沁l ea n db a da d a p 切b i l 埘t 0C 1 1 i n a t sI l I l d e r j 目D u I l dc o a lm i I l e e n v i r o n m e n t ，t 1 1 ed o m e s t i ce l e c t r o h y d r a I d i cc o n _ t 】的1s y s t e m ’sc o r et e c l l l l o l o g yi sn o t m a t l 鹏，m ew D r k m a n s K pi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，t h a t ’sW h yw ep u tf o r 、硼r dt l l i ss u b j e c t ． S o ，咖d yo fh y d r a u l i cs u p p o n se l e c 仃。一h y d r a u l i cc o n 呐ls y s t e m 、Ⅳi 廿l 砌e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e n yr i g h t si so f 铲e a ts i g l l i f i c a I l c e ． T h em a i nr e s e a r c h 、Ⅳo r ka r ea sf 0 1 l o w s ④C o n d u c t e ds e v e r a If i e l dr e s e a r c ho nt h e a c t u a lw o 出n ge n v i 】∞n m e ma I l dm e a c t i o no fn l eh y d r a u l i cs u p p o r ti I lt h eI n t e 黜dC o a lF a c e ，c o m b i I l a t i o n 谢ma d v i c e f 渤nw o r k e r S Ⅵd mm a l l yy e a r So p e r a t i o n a le x p 嘶e n c eo f h y d r a u l i cs u p p o r t ，r e f e r e n c e t 1 1 ec o n t r o lf h n c t i o n so ff o r e i g nb r a c k e tc o n t r o l l e r ，D e t e n l f l i n et h es y s t e m ’sc o n 仃o l 胁c d o n sa n dc o l l 仃0 lm e Ⅱl o d s ．． ②A c c o r d i n gt o 恤a c t i o na n dw o r ks t a t u so fh y d r a _ I l l i cs u p p o r t ，a n a l y s i sm eC P U r e s o u r c e sn e e d e db yt l l ed e s i g I lo ft h es y s t e mi nd e t a i l ，a I l dt h r o u g l lc o m p 撕s o no f s e v e r a lc o n m l o I l l yu s e dc o m r o lc l l i p ，I d e m i f i e dt h eC P Ui nt 1 1 i ss y s t e m ．D e s i 盟e d 恤 舶n tp a n e lo f 廿l eb r a c k e tc o 劬∞1 1 e r ，I n p u ta n do u _ c p u ti n t e r f ．a c e s ，t h ee m e 玛e n c ys t o p a 1 1 dl o c k i l l g b 眦o n ，M a n - m a c h i I l ei n t e 血c e ，M i m l 眦S y s t e m ，A ／Ds 锄p l 她c i r c u i t ， C o m m u l l i c a t i o nc i r c u i t ，S 、忻t c hm p u tc i r c u i t ，P r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h es w i t c hc i r c u i ta n d c o m m u I l i c a t i o nn c 曲旧r k s y s t e m ．T be n h 狃c e t h e s t a b i l i 够o ft 1 1 es y s t e m ，a d d o V e r v 0 1 t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，a 1 1 t i - j a m m i n gm e a s u r e s ． ⑨D e s i 印s o f 研a r eo f b m c k e tc o n t r o l l e r ．F i r s to fa l l ，h a v eag e n e 同d e s i g nt o 廿1 e s o f h Ⅳa r e ．T h ew o r ki sd i V i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s o n ei sm ei I l i t i a J i 刎i o no ft l l e s y s t e m ，a n dt 1 1 eo t l l e ri st h es o 小Ⅳa r ed e s i g no fs u b m o d u l e ．1 1 1 c l u d i n gt h es o 行Ⅳa ∞ d e s i 弘o f A ／Ds a I l l p l i n g 、I n p u ts i 鄹mp r o c e s s i n ga 1 1 do u 印u ts i 酆融p r o c e s s i n gm o 叫e a n dp r o 蹦眦d e s i 印o fC R Co f1 1 1 ec o n m u n i c a t i o I l sn e 帆o r k ．T oc o n V e l l i e n t 也e s y s t e md e b u g g i n ga n du p 铲a d e ，l e Rm eJ T A Gi n t e 血c e 锄da d o p t e dm o d u l a rd e s i 阻， g r e a t l yi r n p r 0 V i l l gt 1 1 ee m c i e n c yo fm es y s t e m ． I I lo r d e rt om e e tt h eh e a l t l la 1 1 d r a p i dd e v e l o p m e n to fC h i l l a ．sc o a li n d u s 臼M R e l y i l l g o nu l et e c Ⅲc a Ja 1 1 df m a I l c i a J s u p p o I r to ft l l e Z h e n g z h o uC o a lM i l l i l l g I I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 M a c h i n e r yG r o u p ， w e d e v e l o p e d a I l d d e s i 印e d t h e h y d r a u l i cs u p p o r t o f e l e c 仃o ．h y d r a u l i cc o n 仃D 1s y S t e mt h a ta d a p tt oC l l i n a t sl l I l d e 驴m de n v 的n m e m ，d e b u g a n de x p e r i m e n t a lt h ep a r tf I e 砷衄e so ft h es y s t e m ，t h er e s u l ts h o w s Ⅱl a tt h ei n d i c a t o r s h a v er e a u c h e dm ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ． K e y w o r d s h y d r a u l i cs u p p o r r t ， b r a c k e tc o n t r o l l e r ， e l e c n - o h y d r a u l i c c o n t r o l ， c o 删n u I l i c a t i o n sn c 似o r k 。C I ℃c h e c k S u m I Ⅱ 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 在煤炭综采工作面上，液压支架电液控制系统是整个自动化控制系统的核心， 液压支架电液控制系统在煤矿开采中的应用实现了综采工作面的机械自动化控 制，改善了井下工人的工作条件，提高了生产效率，最终实现了无人值守，安全 生产的目的。液压支架电液控制技术以通信网络为核心，实现对液压支架的本架 单动作控制、邻架单动作控制、邻架自动功能控制、成组自动控制、支护压力检 测、采煤机位置检测和自动跟机功能【1 】，同时具备综采工作面数据上传和远程监 控功能。 1 ．2 液压支架现状 液压支架是煤炭机械化一种关键设备，它的支护质量直接关系到综合采煤工 作面高效、安全、有序的运行。液压支架自动化技术则是综合采煤工作面自动控 制系统的关键技术，它的研究与实现直接影响煤矿开采效率与进度。1 9 5 4 年，英 国首先研制出了剁式液压支架瞄1 ，随后法国研制出节式液压支架，这种液压支架 的研制成功给液压支架行业带来了革命性的突破，1 9 6 0 年，前苏联开发设计出一 种O M K T 型掩护式支架，这种具有四连杆机构的液压支架的研究让研究者兴奋不 已。2 0 世纪7 0 年代前期，“立即支护”型液压支架成为最主要的研究方向。7 0 年代中期，随着劳动力成本的提高，迫使一些大的煤矿企业和大学研究机构合作 研究液压支架的自动化控制，但由于当时研究的液压支架稳定性不足等原因，应 用效果不甚理想，使用者寥寥无几，自动化控制电液控制液压支架陷入低谷。2 0 世纪8 0 年代，英国原道锑公司率先研制出综采工作面电液集中控制系统，稳定性 有很大提高，应用效果良好，以此为起点，电液控制系统的研究掀起一波高潮， 各大公司及研究机构开始研究综采工作面自动化电液控制系统。至此，电液控制 系统已经发展为综采工作面无人值守自动化控制阶段。 国内对液压支架的研究起步比国外大概晚了1 0 多年，主要经历了以下四个阶 段 ①学习阶段。我国对液压支架的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，当时由于我国 对支架的研究基础差、底子薄，制造液压支架需要什么样的材料、液压用什么样 的液体都不甚了解，这个阶段主要学习国外液压支架先进的制造经验。1 9 6 4 年， 由郑州煤机厂和太原煤机厂率先研制出国产迈步式自移支架，标志着液压支架国 产化的开始。至此以后，随着更多的研究者进入液压支架的研究，我国先后研制 重庆大学硕士学位论文1 绪论 出了剁式、节式及掩护式液压支架，为我国更进一步研究液压支架打下了坚实的 理论基础，同时积累了大量的数据和丰富的经验。 ②引进、消化、吸收、发展阶段。2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，我国先后 从国外进口了大批四柱支撑式和二柱掩护式等技术较为先进的采煤支护设备，随 后对这些设备进行了拆装，分析，成功消化了国外的这些先进设备的先进技术， 同时，积累了制造经验。随后，我国的研究机构先后研制出了适用于缓倾斜厚煤 层的多种低位、中位的液压支架和适用于急倾斜厚煤层的高位液压支架，并分别 成功应用在这些煤层中。但是，在这一时期国内研制的液压支架材料普遍较差， 支护重量较轻，移架速度慢、千斤顶的寿命较短，与国外同时期产品有明显差距。 ⑧完善和提高阶段。2 0 世纪9 0 年代，我国主要的研究机构对液压支架的研 究进入了一个新的阶段。在这个阶段里，我国的研究机构在前几十年的研究的基 础上对液压支架各方面的性能参数和支架的支护质量以及支护稳定性和可靠性进 行了完善和提高，同时也在不断丰富液压支架的种类。 ④高端液压支架高速发展阶段。近十年来，一些大的国有煤矿企业为了避免 发生伤亡事故，越来越愿意购买高端液压支架，以提高支护质量和稳定性，国内 对高端液压支架需求量在当前形势下呈高速发展态势。一些可以支护1 0 0 0 脚a 压力的5m 、7m 的高端液压支架开始进入市场，这些高端液压支架采用高强度 钢焊接技术，使支架承受的压力急剧增大。另外液压支架的电液控制技术的研究 也要求液压支架必须向高端支架研究。在此发展阶段，国产液压支架的制造和设 计水平得到了稳步提升。 1 ．3 液压支架电液控制系统的发展与现状 1 ．3 ．1 国内的发展与现状 我国对液压支架电液控制系统的研究比国外整整晚了2 0 年p J ，1 9 9 1 年，我 国自主研发具有自主知识产权的液压支架电液控制系统率先由郑州煤机厂和北京 煤机厂研制成功，也都做了井下开采试验，并根据试验数据进行了改进，但是系 统的工作性能和稳定性依然不能与国外同时期产品相提并论，而且制造成本不比 国外产品低，所以最终没有批量、工业化生产。作为国家煤矿开采大省，山西省 煤炭科学研究总院太原分院于1 9 9 6 获得国家5 0 0 万元的支持，随后，其研制的国 内首个全套液压支架电液控制系统进行了井下工业试验。9 0 年代末，我国开始了 与国外先进电液控制系统研制公司合作，研制出了一系列产品，部分产品已经在 我国的一些大型国有企业应用。此后的很长一段时间，我国的煤矿企业都是应用 合资产品，自主研发的液压电液控制系统市场份额依旧很小，我国煤矿的综采自 动化设备目前还是无法与国外同时期产品相提并论。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．3 ．2 国外的发展与现状 美国、德国等西方发达国家对液压支架电液控制系统的研究起于2 0 世纪7 0 年代，到8 0 年代中旬，国外一些大的煤矿企业开始应用液压支架电液控制系统， 但由于控制系统的可靠性与工作性能都不能达到要求，很多企业还是没有采用液 压支架电液控制系统，直到2 0 世纪9 0 年代，液压支架电液控制系统的工作性能 和稳定性都已经达到相当高的标准，液压支架电液控制系统才开始大批量的、实 质性的被应用于煤矿开采。目前，对液压支架电液控制系统研究具有世界领先的 国家主要有德国、美国、波兰等。这些国家研制的液压电液控制系统普遍配置了 故障诊断预警装置，可与刮板运输机、采煤机进行联动，同时可以实现远程监测 与控制。当前在国内外煤矿企业中德国玛坷公司 M A R C O 的P M 3 1 、P M 3 2 控 制器，德国采矿技术有限公司 D B T 的P M 4 控制器，美国久益环球公司 J O Y 生产的R S 2 型支架控制器等应用最广。 1 ．4 研究液压支架电液控制系统的意义 用电液控制系统控制液压支架，可以实现复杂煤层开采的机械自动化，同时 从根本上改变了综采工作面的生产和管理，大大提高了经济效益。研究电液控制 系统的意义如下 ①电液控制系统实现了采煤机与刮板运输机的配合联动，大大提高了综合采 ’t 煤的机械自动化，实现了我国粗放式采煤到集约式采煤的转型4 1 ，以前不可开采 的薄煤层现在也以实现自动化开采，提高了我国煤层开采效率。另外，液压支架 电液控制系统具有远程控制功能，实现了井下采煤无人值守【5 】，很好的解决了薄 煤层开采的自动化。 ②电液控制系统在井下综采工作面上的应用实现了工作面的整体垂直前移， 移动步距更加精确，并且实现了自动跟机，即煤层采过之后，液压支架随即前移 进行支护，随后采煤机前移至煤层附近，然后液压支架推移刮板运输机前移，保 证刮板运输机的平直传输。 ③提高了液压支架的支护质量。液压支架电液控制系统是集控制和监测于一 体的控制系统，能够实时监测支架支护压力，当支架因为某种原因发生压力泄露， 导致支撑力不足以支撑煤层重量时，电液控制系统能够自动监测并自动补压，有 效的解决了因为液压支架自动泄压产生的问题。 ④改善了煤矿工人的工作环境，降低了工作强度。以前在煤层附近依靠煤矿 工人才能完成的攫煤、装煤和运煤等一系列工序，现在在远离煤层的安全巷道内 就能轻松控制采煤和运煤设备完成【6 1 。减少了采煤对人的依靠，有效的减少了对 人的伤亡，大大的改善了煤矿工人的劳动环境和劳动条件，提高了采煤的工作效 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 率。 ⑤提高了生产效率，增加了经济效益。原先在没用液压支架电液控制系统之 前，采煤主要依赖采煤工人，对采煤工人的身体素质要求较高，而且工人在井下 恶劣环境工作效率极低。采用液压支架电液控制系统之后，采煤机械自动化程度 明显提高，大大减少了煤矿工人停留在恶劣环境下的时间。而且由于综采工作面 采用了自动控制，采煤更加有序，移架速度更快，大幅度提高了采煤的生产效率， 也给煤矿企业带来了客观的经济效益。 ⑥电液控制系统适用煤层薄后范围广，控制灵活。采用液压支架电液控制系 统原先不能由人工开采的复杂地质条件的煤层现在也可以进行无人自动控制进行 开采。 ⑦煤矿资源利用率大大提高。原先由于技术和人员安全原因不能开采的薄煤 层现在可以开采了川，掘进率高，开采成本明显高于中厚煤层，许多煤矿对薄煤 层开采较少，甚至不考虑薄煤开采，随着电液控制技术在液压支架中的应用，近 年来薄煤层开采得到较快发展，以前不愿或不能开采的薄煤层被开采，煤矿资源 得到有效开采利用。 1 ．5 本文研究的主要内容及体系结构 本文“液压支架电液控制系统的研究与实现“ 以郑州煤矿机械集团有限责任 公司的技术、资金为依托，针对现有综合采煤工作面液压支架电液控制系统实时 性差、通信协议不公开、进口电液控制系统维修困难、升级困难、可靠性低等问 题而提出的具有深刻意义的一个课题。主要内容是通过对比当前国内外液压支架 电液控制系统，结合我国的井下综合采煤实际的工作环境开发一套自己的电液控 制系统。主要工作如下 ①分析和对比了国内外液压支架和液压支架电液控制系统的发展与现状，得 出现有国产电液控制系统的不足，并给出了研究与开发我国电液控制系统的目的 与意义，为本文研究自己的电液控制系统提供了方向和依据。 ②提出了实现本文的控制策略，包括总体控制策略和单体控制策略，对系统 所需要的一些设备进行了选型，并给出其技术指标，主要有双路电源、双向隔 离耦合器、电磁先导阀、各种传感器、不同类型的配套连接器等； ③提出了液压支架电液控制系统的整体设计方案，并对其组成及在系统中的 功能做了具体介绍，最后陈述了本系统要实现的功能。 ④介绍了支架控制器的工作原理，对支架控制器的外壳以及其硬件电路总体 设计和软件总体设计，硬件设计包括C P U 的选型，输入输出电路、A ／D 转换电 路、模拟电压信号调理电路、输出驱动电路及保护电路设计等。软件设计包括 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 开发语言及开发环境的选择，并编写各个子模块的控制程序初始化程序、A ／D 采样程序、输入输出开关量的软件设计等。 ⑤在对主流液压支架电液控制系统通信网络研究与分析下，设计了本系统所 用的通信网络，本系统选用R S 4 8 5 总线方式通信和s P I 点对点通信两种通信并存 的方案，最后对R S 4 8 5 通信和S P I 通信做了软硬件设计。 ⑥在实验室本文所设计的系统进行了实验与调试，测试了软件程序和硬件电 路的性能。最后模拟综合采煤工作面环境，对整体系统进行了调试。 重庆大学硕士学位论文2 液压支架电液控制系统的控制策略 2 液压支架电液控制系统的控制策略 2 ．1 液压支架电液控制系统概述 2 ．1 ．1 系统总体概述 在综合采煤工作面中，液压支架电液控制系统是集监测、远程控制、远程参 数修改与设置于一体的网络系统【8 】，包括井上中央控制主机、井下中央控制主机、 支架控制系统、通信网络和电源等。液压支架电液控制系统可以实现对液压支架 的运行状态实时监视和记录，同时可以做数据的查询和分析工作，具有R S 4 8 5 和 S P I 通信接口功能，通过R S 4 8 5 总线协议与井下主机进行实时通信以实现连续的 数据采集，能长期记录运行参数，并对实时采集到的数据进行分析和处理，并且 为事故分析提供最新资料。中央控制装置包括井下中央控制主机和支架控制器， 井下中央控制主机实时记录和显示液压支架的动作，保存和传输历史数据给上位 机，支架控制器可以对液压支架的各种动作进行控制。液压支架电液控制系统总 体结构如图所示。 p 籀珐羹毫- 一和∞稿t 奄_ ■ 和∞砖t 电■■弘错琦麓毫■一p 钳砖纛毫一一 薯。秘琦羹毫■■i 图2 ．1 电液控制系统总体结构图 F 语2 ．1T h eo v e r a l ls t n J c t u r ed i a g r 锄o fe l e c t r o - h y d r a u l i cc o n 缸- o ls y S t e m ①井上中央控制主机 井上中央控制主机是整个液压支架电液控制系统的重要环节，对液压支架的 6 重庆大学硕士学位论文2 液压支架电液控制系统的控制策略 运行状态，工作方式等参数进行设定，同时发送控制命令、实时采集、显示和记 录液压支架和液压泵站供液压力，喷洒系统的压力，采煤机的位置，位移传感器、 压力传感器的误差信息，推移千斤顶的行程，触发的锁定开关、井下采区、长臂 工作面的位置以及系统故障状态等信息，并保存这些信息，以柱状图、曲线、报 表等形式显示被检测设备的参数的当前数值和历史数值【9 】。当发生事故时，蜂鸣 器发出报警，同时弹出消息框，并记录出现故障期间的各种参数，以报表的形式 进行长期保存，以便以后故障分析处理。 ②井下中央控制主机 井下中央控制主机通过R S 4 8 5 总线与支架控制器完成通信【1 0 】，实现对液压支 架的工作状态的实时监测。主要实现以下5 个功能。 1 实时监测。井下中央控制主机通过R S 4 8 5 现场总线和S P I 实时接收和记 录各传感器采集的数据，实现对综采工作面各液压支架运行参数的监测，并将相 关参数信息传送至数据库。 2 故障诊断。对发生故障时，发出声光报警信号，并在显示屏上显示可能的 故障类型及故障设备编号。 3 远程控制。井下中央控制器通过通信网络查看和修改支架控制器的参数， 实现对综采[ 作面液压支架的自动控制。 4 数据查询。当需要查询历史数据时，有权限的人员可以通过系统数据量查 询历史数据，用来分析在采煤过程中采煤机与液压支架的各参数的变化规律，为 井下采煤控制和安全生产提供参考，并给出系统运行的具体评价及建议。 5 上传数据。井下中央控制主机与井上中央控制主机通过总线联网通信把综 采工作面采煤机和支架控制器的各种参数信息传送至地面调度室。实现地面监测 功能。也可以进行反向传输，对井下设备进行控制。 ③支架控制系统 支架控制系统l l l J 主要包括支架控制器、人机交互部分 人机界面 、支架控 制核心及电磁先导阀和支架主控阀组成的阀组、各种传感器组成的信息检测与采 集部分以及各种通信电缆。 支架控制器是液压支架电液控制系统的核心，可接收来自井下中央控制系统 和井上中央控制系统的命令，实现对液压支架动作的控制，在井下中央控制系统 和井上中央控制系统与支架控制器断开通信的情况下，可以在支架控制器之间对 左右方向的液压支架进行如下控制支架动作控制，红外线控制等。同时，支架 控制器的前面板设有人机交互的L E D 显示屏【1 2 】，可以实时显示支架位移、位置、 压力等参数。并且前面板上设有急停和闭锁按钮、支架隔离开关、警报器和自诊 断系统，能够将故障信息显示在井下中央控制主机上，以便尽快找到故障原因并 7 重庆大学硕士学位论文2 液压支架电液控制系统的控制策略 修复。 所需要控制的千斤顶功能有推移千斤顶的伸与缩，立柱千斤顶的伸与缩， 平衡千斤顶的伸与缩，一级千斤顶的伸与缩，二级千斤顶的伸与缩，伸缩梁千斤 顶的伸与缩，侧护板千斤顶的伸与缩，提底千斤顶的伸与缩，支架洒水器阀门的 开与关。 2 ．1 ．2 系统单体概述 本小节将详细说明单个液压支架受控制情况。图2 ．2 是单个液压支架电液控 制系统结构框图，可以看出单架控制系统以控制器为核心，主要由上位机、支架 控制器、电液换向阀、立柱压力传感器、推移千斤顶行程传感器、红外线检测器 发射器安装在采煤机 和超声波传感器等组成。 一电液换向阀L 一 执行相关动作 lI 支 _ 一 压力传感器 上 架 位 控 _ 一 行程传感器 机 制 器 _ 一 红外传感器 一 超声波传感器 图2 ．2 单个液压支架电液控制系统结构框图 F i g ．2 ．2T 1 l e 咖c t u r eb l o c kd i a g r a mo fs i n g l es u p p o r t se l e c n ．o - h y d r a u l i cc o n 仃o ls y s t e m 将整个综采工作面中的支架控制器通过配套的连接器和耦合器相连，再连接 上电源和通讯总线，组成了一个可以实现自动控制的计算机网络，可实现多重控 制方式，本艾在深入研究和学习国外液压支架电液控制系统单个液压支架控制方 式的基础上，为单个液压支架设计了如下几种控制方式 ①邻架单动作控制【l 3 】 在综合采煤工作面根据采煤机的位置需要对液压支架移动时，必须是本架的 相邻架或相隔架对被控制液压支架作相应的动作，液压支架操作工操作规程明 确规定不允许本架控制器控制本架动作，但可以通过直接控制电液换向阀的开关 对本架动作做微调。邻架或隔架操作时，为了保证安全，操作者应该站在上一架 液压支架内操作下一架。 ②手动控制本架 本架控制是在本液压支架支护下对本架液压支架进行控制，直接控制换向阀 的通断来直接控制液压支架动作，在综合采煤过程中它并不常用，只是用来对个 8 重庆大学硕士 学位论文 2 液压支架电液控制系统的控制策略 别液压支架的位置进行微调，以保证整个工作面更加协调、安全。 ③自动控制 考虑到在采煤过程中，采煤机、刮板运输机与液压支架的协调关系，采用液 压支架电液控制系统可以实现采煤的机械自动化控制。 在综合采煤生产过程中，支架动作、采煤机和运输机之间往往存在一定的协 调配合关系。通常采煤机将当前位置的煤层刨削后，为了及时支护新暴露的煤层， 支架将按降、移、升等动作立即前移一定距离，并在新暴露的煤层位置支护顶板； 而在采煤机前移大约7 ～1 0 米的距离后，推移千斤顶会自动推移可弯曲的刮板运 输机向煤层附近移动。因此，利用位移传感器和红外线传感器采集的数据经微处 理器计算后，得出液压支架与煤层边缘、采煤机与运输机之间的距离，并以此作 为相应的控制参数，控制液压支架自动动作，即可达到井下无人值守自动采煤的 要求。 ④上位机控制【1 4 J 论文中所说的上位机是井下中央控制主机和井上中央控制主机，假如在综合 采煤工作面上操作工人操作的情况下，控制液压支架动作的支架控制器前面板上 的控制按键优先级最高，这时上位机仅仅起监控作用，它能把井下液压支架的工 作情况通过液晶屏幕显示出来，包括相关参数的实时变化曲线及一些历史数据。 如果井下综采煤工作面没有操作人员的情况下，液压支架的动作由上位机控制， ’t 这时上位机不但能够控制综合采煤工作面上的任意一架液压支架的动作，还可以 实时监测各个液压支架的工作状态。控制过程是上位机发出控制液压支架动作命 令或者查看某些历史参数，该命令信息就通过R S 4 8 5 总线传送给支架控制器，支 架控制器进而控制液压支架执行相应的动作或返回想要的参数。 2 ．2 液压支架电液控制系统的控制功能及技术指标 2 ．2 ．1 系统的控制功能 ①电液控制系统为液压支架分布式智能型控制系统，通过液压支架控制器、 电磁先导阀、传感器等对液压支架各种动作进行手动和自动控制，完成工作面支 架系统在采煤过程中所例行的各种功能。 ②实现液压支架单架手动、单架自动、成组手动、成组自动、自动补压、紧 急停止等功能。工作面任一支架控制器均可实现控制支架动作、修改参数、传输 应用程序、程序升级等功能。具备控制工作面上2 0 ．2 0 0 架液压支架完成各种功 能的能力。 ③将每个支架控制器进行地址编号，并且这些地址编号是顺序且连续的，然 后通过总线电缆从端头控制器将全部支架控制器连接起来。 9 重庆大学硕士学位论文 2 液压支架电液控制系统的控制策略 ④支架控制器采用双路直流电源供电，可给供两个控制器组供电，每个控制 器组包含柑邻的5 个支架控制器。支架控制器与支架控制器之间采用R S 4 8 5 总线 进行数据交换，系统总线通讯符合本质安全标准。 ⑤支架电液控制系统的硬件、软件、各种辅助件等的设计严格按照国家最新 井下电气标准执行。 2 ．2 ．2 系统的技术指标及要求 ①双路稳压电源 双路稳压电源输入2 2 0 V 的交流电压，输出直流1 2 V 电压给支架控制器供电。 电源箱内装有两路电源模块，每路电源模块由一个独立的A C ／D C 胶封模块【”】 构成，每路额定负载电流1 ．8 A 。每个双路电源可同时向1 0 个相邻的支架控制器 供电。每路电源都具有两级过流和两级过压保护，故障解除后自动恢复正常工作 功能。电源模块电路方框图如图2 ．3 所示，其电源输出引脚定义如图2 ．4 所示 A 8 5 V A C 2 6 输入 图2 ．3 电源结构框图 F i g ．2 ．31 ’1 1 ep o w e rb 1 0 c kd i a g r 锄 插头的针脚布置 针脚l 插孔 1 2 V 针脚l 插孔 ～ 针脚l 插孔 一 针脚l 插孔 G N D 图2 ．4 电源输出接口定义 F 培2 ．4T h ep o w e ro u t p u t 硫e 血c ed e f m i t i o n 主要技术指标 额定输入电压A C 8 5 V ～2 6 5 V ； 额定输出电压D C l 2 V ； 额定输出电流1 ．2 5 A 、1 ．5 A 、1 ．8 A 防爆型式矿用隔爆兼本质安全型； 输出口数量双路； 环境温度．2 0 ℃～ 6 0 ℃ 模块方式P C B 控制板全部胶封。 ②电磁先导阀 电磁先导阀也叫电液换向阀，其主要作用就是将电信号转换为液压流量信号， 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 液压支架电液控制系统的控制策略 其工作原理是通过电磁铁将电信号转换为力矩信号，力矩推移顶杆，将阀芯顶开， 高压的液体流入主控阀，进而控制主控阀的开启或关闭控制液压支架动作。 图2 ．5 电磁先导阀组 F i g ．2 ．5T h ee l e c 仃o m a 印e t i cp i l O tV a l V e 伊o u p 主要技术指标 额定工作电压D C1 2 V ； 额定工作电流≤1 2 0 n A ； 额定工作压力3 1 ．5 M P a ； 额定工作流量1 ．2 L ／1 1 1 i n ； 环境温度．2 0 ℃～ 6 0 ℃。 电磁先导阀通常与主控阀配套使用，如图2 ．5 所示，两者之间为板式连接， 通过高强度螺栓将两者牢固连接。一个电磁先导阀由两个2 位3 通的阀芯组件和 两个电磁铁组成。从支架控制器输出的电信号通过电缆让电磁铁通电，此时，电 磁铁会吸附阀芯压杆，通过杠杆原理，将电信号转换的力矩放大，驱动先导阀芯 运动，先导阀中的液路导通，使高压液进入主控阀的控制口，驱动主控阀芯动作， 改变主控阀液路方向，从而驱动支架完成各种动作。通常一台支架的电液控换向 阀为6 或2 0 功能，即需要3 个或1 0 个电磁先导阀。 ③双向隔离耦合器 由于工作面电磁环境的复杂性，为了实现系统安全可靠工作，电液控制系统 采用隔离耦合器来实现由不同电源供电的支架控制器间传输R S 4 8 5 总线和S P I 通 信信号的电气隔离和信号耦合，保证系统的本质安全特性。 主要技术参数 工作电压D C l 2 V ； 工作电流左右两侧均小于1 0 0 m A ； 通信距离2 0 0 m ； 环境温度0 ℃～4 0 ℃。 ④压力传感器 用来实时检测支架立柱下腔压力，并将压力信号转化为电压信号