矿用液压支架电控系统的设计与应用.pdf

引言 液压支架作为煤矿综合性机械中最重要的采煤 设备， 其顶板和底板可以对工作空间的井下综采工作 面环境有效适应， 不仅为电源、 采煤机、 输送机等设备 提供可靠的支撑结构， 同时也给工作人员提供安全适 合的操作空间。 液压支持系统可以由电液压支架操作 并对被控制面自动控制， 单个操作液压设备可以完成 整个工作面的联动响应， 在一系列的动作等功能实现 后， 通信和远程控制表面可有效实现[1-2]。不仅在生产 力以及提高操作安全性的改进方面有所增强， 而且还 降低了工作人员的数量并改善工作保障环境。因此， 研究液压支架电控系统， 以提升综采工作面自动化管 理水平[3]。 1液压支架系统原理 液压支架主要通过高压液压油驱动支架构件而 产生各种动作， 液压支架具有低震动、 低噪声、 支撑 强度高等特点，被广大采矿企业在采煤过程中所使 用。液压支架的日常操作与各个结构类型没有多大 关系，但是与液压支架的液压系统的液压油循环回 路有较大关系。 液压支架的各个动作不复杂， 并且在 整个工作面支撑过程中也是进行了相同的工序， 重 复性较高[4]。液压支架的每个构件的工作状态都不 一定完全相同， 工作面设置有许多液压支架， 但各个 液压支架的每个动作都是独立进行。根据系统指令 也有可能同时产生动作， 如果布置液压支架较多， 整 个工作面就会呈现复杂的工作状态。液压支架被高 压液压油所驱动后会产生降落、 移架、 支撑、 推移输 送机以及防护等动作， 在煤矿恶劣的环境中， 液压支 架能够满足安全要求， 不会产生电火花、 剧烈震动、 高噪声，并且可以实现井下狭小工作面的机械化工 作状态， 如图 1 所示为液压支架的工作原理。 2液压支架电控系统功能 液压支架电控系统主要为克服目前人工操作控 制所产生的缺陷，针对煤矿井下恶劣的作业环境及 地层复杂性，液压支架需针对各个工况实现结构机 械操作以满足采矿工作面支撑需要，能够确保采煤 机械及时地向前推进，顺利地开采并运送出煤炭物 料。 通过对现场调研分析， 液压支架应满足以下几个 机械动作， 分别为 单架单动作、 单架顺序动作、 成组 动作和自动控制动作[5]。 1） 单架单动作。单价单动作主要是指工作面上 的某一个液压支架的动作，一个液压支架可对工作 面局部的部位产生作用，通过后台电控系统控制操 作法对单个液压支架发出指令，单架单动作主要包 括深度降住台收底座等动作。 2） 单架顺序动作。单价顺序动作主要是指整个 连排液压支架按照预定的程序，在一定时间范围内 完成降柱移架升柱系列连贯的动作，并按照一 定的顺序开展下去。 3） 成组动作。 根据采煤工作面的使用需求不同， 会在相应的工作面位置安装液压支架，如果仅通过 单个液压支架完成动作，整个生产过程的效率将会 矿用液压支架电控系统的设计与应用 杨建忠 （大同煤矿集团机电装备力泰有限责任公司， 山西大同037036） 摘要 目前大部分矿井所采用的液压支架为手动操作方式， 具有工作效率低、 工作精度不高等缺点。为设计出 符合矿井液压支架的电控系统， 实现液压支架的无人自动化操作， 首先阐述了液压支架系统的原理， 分析了液 压支架电控系统功能， 研究了液压支架电控系统结构组建， 并进行了电控系统试验， 优选出以 PLC 为控制核心 的电控系统， 试验结果表明液压支架在各个工况下均能够精准安全地完成支撑动作。 关键词 液压支架电控系统硬件 中图分类号 TD355.4文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0198-03 收稿日期 2020-03-20 作者简介 杨建忠 （1988） ， 男， 本科， 毕业于中国矿业大学机械 工程及其自动化专业， 助理工程师， 从事机械方面相关工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.085 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 1顶梁； 2立柱； 3底座； 4推移千斤顶； 5安全阀； 6液控单向阀； 7、 8操纵阀； 9输送机； 10- 乳化液泵； 11主供液管； 12主回液管 图 1液压支架工作原理 1 2 9 3 4 56 87 10 1112 自动化技术与设计 2020 年第 5 期 降低， 通过多组液压支架的相互联合作业及配合， 将 大大提高工作面的采煤效率。液压支架的成组动作 主要包括成组顺序联动、 成组推溜、 成组辅助采煤机 喷雾等动作。 4） 自动控制。为实现液压支架与采煤机之间动 作的相互配合， 在采煤机上安装一套红外发射装置， 通过该装置将采煤机的作业信号传输至液压支架 中，以此来完成对采煤机作业位置及作业状态的实 时定位监控， 最终实现液压支架自身结构的推溜、 拉 架、 护帮伸收等自动化操作控制。 3液压支架电控系统结构组建 液压支架电控系统的设计应满足上述功能要 求， 才能有效发挥性能作用。通过对现场实地查勘， 工作面的实际长度将最终决定液压支架的整体布 局。 一般情况下将设置 100 台液压支架结构， 而每个 液压支架上设置了至少 8 个控制信号输入端口， 以 此完成对液压支架的压力、 位移等数据进行检测， 并 且进行机构运动控制才能实现一系列的动作。通过 对国际上常采用的控制器 PM4、 PM31、 RS20 等型号 进行查阅[6]， 采用 CAN 总线控制技术， 用 PLC 工业 控制器的中央核心处理器发送指令，在煤矿企业后 台设置控制室，通过以太网对工作面液压支架发出 工作指令， 整体结构设计如图 2 所示。 CAN 总线通讯技术抗干扰能力强， 能够使工作 面上液压支架的通讯传输减少干扰， 并且每个通讯 线路都是分别设置， 如果出现故障将不影响 CAN 总 线上其他支架控制器的通讯传输， 并且采用本质安 全型电源箱， 对于短路过载的保护性能更好。各个 电气设备均选用防爆型设备确保开采过程中的安 全性。 PLC 工业控制器将作为本次液压支架电控装置 的中心核心部件，将采集到的模拟信号转换为数字 信号， 实现 A/D 转换， 输入信号经过过滤、 逻辑判断 对电磁阀发出指令，最终执行命令形成对液压支架 的控制， 控制器结构图如图 3 所示。 由于煤矿工作环境的特殊性，可以针对一些紧 急情况实现声光报警，突出整个控制器的联动功能 并保障 CAN 总线通讯顺畅， 因为液压支架电液控制 器之间和液压支架电液控制器与顺槽控制主站之间 的通讯是通过 CAN 总线建立起来的。 完成液压支架电控系统结构搭建，对每一个结 构构成的硬件装置进行选型，使其能够满足工作性 能的需要， 选型结果如表 1 所示。 由于整个电控系统是通过 CAN 总线技术进行 数据传输， 采煤工作面液压支架电控系统对 CAN 总 线的要求有以下几点 1） CAN 总线节点不得少于 200 个； 2） 数据通信应该包括点对点和总线广播的数据 传输方式； 3） 具有本质安全型防爆功能； 4） CAN 总线两端节点的通信延时不超过 2 s。 4电控系统的试验 根据上述硬件选型及参数设计，对电控系统进 行安装调试并应用于前期调试试验。首先在实验室 里对系统进行测试， 并使用了 5 个控制器进行调试， 编写软件实现 CAN 总线的数据信息通讯畅通， 保障 试验时候室内温度 20℃左右， 将液压支架与现场的 控制器进行正确连接，并在控制器上对液压支架进 行操作， 对推溜、 拉架、 护帮伸收实际工况动作进行 测试。在可视化显示器前对各个参数及实时动态进 行监测， 可视化显示器内容如下页图 4 所示。图 2液压支架电控系统整体结构示意图 图 3液压支架控制器结构示意图 硬件型号 / 参数 可编程逻辑控制器数字量输入输出各 24 点， 模拟量输入 4 路 压力传感器GYD80 型压力传感器 位移传感器GUD950 型位移传感器 红外传感器FYF5 型红外线发射器 电源KDW0.6/127 型隔爆兼本安型直流稳压电源 隔离耦合器ZDYZ-D 型隔离耦合器 表 1电控装置硬件选型表 地面监 控室 以太网 井上 井下 顺槽工 作主站 支架控 制器 支架控 制器 支架控 制器 支架控 制器 支架控 制器 网 络 终 端 网 络 终 端 CAN 中继器 隔离 耦合器 隔离 耦合器 电源箱电源箱 127 V 交流 12 V 直流12 V 直流 127 V 交流 声光报警 PLC 位移传感器 压力传感器 电磁先导阀 红外传感器 键盘 显示屏 CAN 总线 液 压 支 架 杨建忠 矿用液压支架电控系统的设计与应用 199 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 测试结果显示，设计出的液压支架电控系统通 讯正常，能够及时执行指令者传达的各种液压支架 动作， 能够满足现场实际应用， 提高开采工作面的支 撑效率。 5结语 煤矿井下开采面环境恶劣， 地质条件复杂， 采用 液压支架能有效保障开采过程中的支撑强度，确保 作业人员及机械设备的安全性。目前液压支架的电 控系统还有待进一步完善之处，硬件选型缺乏科学 性和实用性。 通过设计液压支架的硬件装置， 组成各 个硬件的最优组合， 应用于液压支架的电控系统。 通 过在现场实际应用结果显示，设计出的电控装置及 其硬件选型均能满足现场实际应用要求，提高了井 下作业的快速反应、 快速移动的工作效率， 为矿井井 下机械自动化设计研发提供了依据。 参考文献 [1]伍小杰， 于月森， 彭利明， 等.液压支架电液控技术的现状及展 望[J].煤炭科学技术， 2009 （1） 25-29. [2]黄尚智.我国液压支架技术 30 年发展回顾与展望[J].煤矿机 电， 2000 （5） 46-50. [3]李首滨.国产液压支架电液控制系统技术现状[J].煤炭科学技 术， 2010， 38 （1） 53-56. [4]韩素媛.综采工作面液压支架电液控制系统的设计[J].科技情 报开发与经济， 2007 （8） 277-278. [5]陈威， 张伟， 房风浩， 等.综采工作面液压支架计算机分布式电 液控制系统设计[J].微计算机信息， 2005 （2） 33-34. [6]杨保祥.本质安全型电气设备新老国标的主要技术差异[J].电 气防爆， 2001 （4） 2-7. （编辑 贾娟） 图 4测试页面示意图 Design and Application of Electric Control System of Mine Hydraulic Support Yang Jianzhong （Datong Coal Mine Group Electromechanical Equipment Litai Co., Ltd., Datong Shanxi037036） Abstract At present, the hydraulic support used in most mines is manual operation mode, which has the disadvantages of low working efficiency and low working precision. Firstly, the principle of hydraulic support system is expounded, the function of hydraulic support system is analyzed, the structure of hydraulic support electronic control system is studied, and the test of electric control system is carried out. and the PLC is chosen as the control system. The test results of the core electronic control system show that the hydraulic support can complete the support action accurately and safely under every working condition. Key words hydraulic support; electronic control system; hardware Design Application of Automation Control System of Belt Conveyor Jin Guimei （Datong Coal Mine Group Electrical and Mechanical Equipment University Machinery Co., Ltd., Datong Shanxi 037001） Abstract Based on PLC technology from three aspects system principle, hardware composition and software design, and makes a practical test on the application effect of the designed system. The results show that the designed self-matching control system can effectively achieve energy saving and reduce consumption, and increase the efficiency of mine operation. Key words mine; belt conveyor; automatic matching; energy saving optimization （上接第 197 页） 200