煤矿液压支架的监控系统设计.pdf

收稿日期2019－10－12 煤矿液压支架的监控系统设计 杨晓刚 （山西省大同煤矿集团有限责任公司 晋华宫矿， 山西大同037016） 摘要针对目前采煤生产过程中液压支架监控不足的现状，设计了一套基于PLC与总线技术的煤矿液压支架在线监控系统。结合煤矿生产的实际 情况，对系统的总体方案进行了设计。综合考虑了开发成本与运行环境要求，对系统硬件设施进行了选型分析，利用编程知识与实际要求设计了 监控系统软件程序。结果表明，系统具有结构简单、可靠性好、稳定性高的优点。能有效对煤矿液压支架工作状态进行在线监测与控制，对故障 情况进行报警，保障工人的安全以及煤矿经济效益。 关键词煤矿；液压支架； PLC；在线监控 中图分类号TD355文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0154－03 Monitoring System Design of Coal Mine Hydraulic Support YANG Xiaogang （Jinhuagong Coal Mine, Shanxi Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037016, China） AbstractAiming at the present situation of insufficient monitoring of hydraulic support in coal mining process, a set of on-line monitoring system of hydraulic support based on PLC and bus technology was designed. Combined with the actual situation of coal mine production, the overall scheme of the system was designed. The software program of the monitoring system was designed based on programming knowledge and practical requirements. The results show that the system has the advantages of simple structure, good reliability and high stability, which can effectively monitor and control the working state of the hydraulic support in the coal mine on line, alarm the fault, and ensure the safety of the workers and the economic benefits of the coal mine. Key wordscoal mine; hydraulic support; PLC; online monitoring control DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 054 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 杨晓刚. 煤矿液压支架的监控系统设计［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 154-156. 0 引言 随着综采煤技术的持续进步，对采煤装备自动化程度的 要求也快速提升。液压支架作为综采工作面上“三机”之 一，起着承担支撑工作面的重要作用，所以液压支架的安全 有效运行，关乎采煤工作的根本安全，是保障采煤机械稳定 进行和工人生命安全的重要屏障[1-2]。然而，液压支架所在矿 工作面环境复杂潮湿、灰尘大、干扰强，就目前生产情况而 言，液压支架故障情况时有发生，因此针对液压支架的在线 实时监控就变得尤为重要。利用工业生产中广泛使用的自动 化远程监控技术，实时在线对液压支架的工作情况进行状态 监测与控制，发生故障时根据报警信息可快速排除，减少检 修人员工作量，提高工作效率，保障生产安全。 1 监控系统设计 煤矿液压支架的监控系统分为现场控制层、远程监控 层、主控中心监测层，包括对液压支架的监测与控制两部 分。液压支架控制系统控制液压支架进行工作面顶板的支 撑、切顶操作、支架移动、推移刮板输送机等操作。在煤矿 生产中，使用电液压支架控制作为液压支架的控制系统。现 场控制层电液控制器由微处理器、数据传输与接收装置、操 作盘、传感装置组成。每个液压支架都拥有一个电液控制 器。采煤作业面内，根据作业面长度不同，一般布置100～ 150个液压支架，在采煤机后面一定距离的液压支架，在支架 控制器控制下进行立柱升降、千斤顶伸缩的动作，完成降 架、移架、升架、推溜、数据采集等一系列跟机支撑移动操 作 [3-6]。煤矿工作面液压支架布置图如图1所示。液压支架的 监控系统除实现控制外，还可以实现监测报警效果。监控系 统的组成包括角度、位移、红外、压力传感设备、支架控制 器、数据调理电路、PLC、通讯连接网络以及软件程序。液压 支架的构成部件数量以及种类较多，因此构建监测系统时选 择液压支架相对关键且容易发生损坏的构件比如千斤顶、液 压油缸等[7]。传感设备采集布置位置的信号值，由数据补偿、 数据调理部分处理后通过PLC控制器送至系统软件程序，由 程序计算监测部位的状态是否正常，判断是否给出报警指 令，完成对监控数据的显示。 1.1 系统硬件选型 监控系统的硬件包括PLC、行程传感器、压力传感器、 红外传感器、电源模块、显示屏、主控计算机等。PLC作为 图1工作面液压支架布置图 154 监控层核心，选用西门子公司较为成熟通用的S7-300型号， CPU选择CPU315-DP，另外根据煤矿生产安全需要选用本质 安全的12 V电源版。压力传感器则选择使用长沙钛合公司针 对矿用液压支架研制的PPM-S240A压力传感器，性能稳定， 测量范围广。位移传感器选择GUD-960矿用本安型行程传感 器，可以在具有危险爆炸环境中工作。位移传感器安装在液 压支架推移液压油缸内，传感器具有直长细管结构，管体深 入到活塞杆中心，管头固定，当推移千斤顶活塞杆移动时， 传感器则输出0.5～45 V模拟电压信号。红外传感器选用杭荣 公司制造的GUH5型号红外线传感器，由GUH5-F矿用红外线 发射器、GUH5-S矿用红外线接收器两种传感器组成。电源模 块选择FPA-12本安防爆电源，体积小重量轻，适用于煤矿生 产。系统的整体结构如图2所示。 1.2 控制部分 控制部分按实现功能不同可分为单台支架控制、多个 液压支架集中控制功能。单个支架控制用于完成对工作面 上单台液压支架行动的控制。液压支架受操作人员控制， 可根据监控系统指定按钮指令分别完成立柱上升与下降、 伸缩平衡千斤顶、伸张收缩一、二级护帮板、伸缩侧护 板、伸缩梁、支架前后移动、抬高收缩底座自动喷雾等10 多个单一动作，也可实现多个动作联动，动作与否与动作 时间由操控人员控制[8]。单个支架的移动工作过程即降架、 移架、升架，支架首先降低支架高度至顶梁脱离顶板，立 柱达到一个设定的移动支架压力值，开始向前移动支架、 根据指令达到移动设定值后，开始升架到立柱达到设定升 架应力值。成组控制则是针对工作面上多个液压支架的协 同控制，主要是针对多个液压支架有秩序的降低、移动、 升高一系列联动操作。护帮板、底座、侧护板、平衡千斤 顶可实现协同动作。成组控制时，选定一定数量的支架为 一组，设定动作参数，设定为一组的液压支架，在收到命 令后端头的液压支架首先开始动作，之后选定的一组支架 开始逐个跟随执行相同动作，直到该组液压支架全部执行 完毕，命令结束。 1.3 监测模块 监测部分主要通过布置传感器感知支架推移行程、油缸 压力、变化角度、与采煤机的相对距离、电流信号等信 息，由传感器采集，经过信号调理转换后由通信网络传输 到监控中心。其中行程传感器选择矿用本质安全型位移传 感器，布置在液压支架的推移油缸之内，可以将液压支架 机械的行程量转化为电压信号，压力监测则通过将压阻式 压力传感器布置在液压缸测压孔，将传感器的一端插入测 压孔并固定，油缸内液体进入传感器基片，受压电阻发生 变化，电桥输出电压由此改变。红外传感器用来识别液压 支架与采煤机的相对距离，红外线发射器布置在采煤机 上，接收器布置于液压支架上，通过红外线传感器信号判 断两者之间相对位置。当压力值超出设定阈值时或液压支 架与采煤机距离出现异常时，系统自动发出警告。同时根 据每台液压支架反馈的不同行程值，判断液压支架成组控 制完成效果。此外，系统对电路设置过流保护，电路电流 超出阈值时自动报警。 2 网络通信 监控系统由 3 个层面组成，分别是现场液压支架控制 （微处理器）层、远程工作面（PLC）监控站以及主控中心监 测层。工作面监控站与主控中心监测层通过光纤实现以太网 连接，完成两个层的信息交互。工作面监控站与现场液压支 架控制层通过Profibus-DP通讯协议连接，利用屏蔽双绞线总 线通讯实现监测功能与控制功能。 3 软件设计 PLC 控制器的常用编程语言包括LAD、结构文本与功能 图块等。LAD利用逻辑关系图进行编程，是一种简洁、高效 且使用广泛的PLC编程语言。结合煤矿井下的复杂工作面、 煤矿安全要求、编程语言要求，本文使用STEP7软件采用简 单的梯形图针对PLC S7-300进行编程。并利用STEP软件进行 了相应功能程序测试，对降柱、移架、升柱、伸收梁等一系 列操作进行了测试指令输入，系统均可到达预期效果。液压 支架“降移升”功能实现的软件程序流程图如图3所示。 4 结束语 本文针对煤矿安全生产需要，设计了一种煤矿液压支架 监控系统。并对系统整体方案以及硬件结构完成了选型与构 图2系统的整体结构 图3软件降移升流程图 杨晓刚煤矿液压支架的监控系统设计 155 建，设计了监控系统的软件程序流程图。系统既可实现对煤 矿生产中液压支架的基本控制，又能对液压支架现场工作情 况进行监督测量，并设有预警功能，可实现对工作状态的判 断与异常报警。系统具有功能完善、结构简单、应用性好的 优势。系统可提升液压支架的工作可靠性，加强煤矿生产企 业生产的稳定高效，保护作业人员安全。 参考文献 [1] 尚振东, 张志文, 梁智. 综采液压支架的监控系统[J]. 煤矿机 械, 2015, 362252-254. [2] 姜岗. 综采工作面液压支架计算机分布式监控系统的设计 [J]. 机械管理开发,2016,3109101-103. [3] 罗成名, 张权. 液压支架远程智能监控系统的设计[J]. 煤矿机 械, 2010,314143-145. [4] 刘远志, 潘宏侠, 闫磊. 基于CAN总线的液压支架压力传感 器自动化系统的设计[J]. 时代农机, 2011, 381128-29. [5] 李铁莲, 廉自生. 液压支架中压力传感器的设计[J]. 煤矿机 械, 2007, 28420-22. [6] 李林蔚. 基于双CAN总线的煤矿井下液压支架远程监控系 统的研究[J]. 机械管理开发, 2019, 3403210-211. [7] 摆世强, 李志明, 赵新亚. 煤矿井下液压支架监控系统设计 [J]. 科技创新与应用, 20152930-31. [8] 王雅多, 许春雨, 宋建成.基于Power Builder12.5的液压支架 实 时 自 动 监 控 系 统 的 开 发 [J]. 煤 矿 机 械, 2015, 361 235-238. 作者简介杨晓刚 （1987-） ，男，山西大同人，大学本科， 助理工程师，研究领域为煤矿机电。 （编辑 王智圣） 单相机纠偏定位引导中，相机一般倒装并固定在机台 上，通过视觉定位引导机器人纠正来料位置的波动，确保对 每个来料进行精组装。设计中使用“单点对位”是因为该模 块考虑了机器人末端有延展轴，使得操纵点不是法兰中心导 致的不共轴。 3 结束语 引入机器视觉、图像处理等先进技术，提高制造行业的 自动化、信息化、智能化水平，提升生产效率，已成为行业 的一种发展趋势。本文针对新能源汽车动力电池生产过程中 频繁常用的引导安装工序，设计了视觉定位纠偏的视觉处理 系统。基于VisionMaster软件平台，开发了自动安装机器视觉 软件系统，以提高新能源汽车锂电池的自动化产线的自动 化、智能化程度，极大提高了生产效率。 参考文献 [1] 郭静,罗华. 机器视觉与应用[J]. 电子科技, 2014, 27 7 185-188. [2] 赵鹏. 机器视觉研究与发展[M]. 北京科学出版社, 2012. [3] 冉艾玲.新能源汽车及动力锂电池的发展研究[J]. 新能源汽 车,2019213-14. [4] 唐文斌,王湘雄. 新能源汽车及动力锂电池发展分析[J].电力 讯息,201723201-202. [5] Carsten Steger, Markus Ulrich, Christian Wiedemann. Machine Vision Algorithms and Applications[M]. Berlin Wiley-VCH, 2007. [6] 郭阳, 马麟. 基于机器视觉的尺寸测量方法研究[J]. 机械工程 与自动化, 2012115-17. [7] 刘景泰,吴水华. 基于视觉的遥操作机器人精密装配系统[J]. 机器人,2005,272178-182. [8] 刘明周, 马靖. 基于机器视觉的机械产品装配系统在线作业 方法[J]. 计算机集成制造系统, 2015, 2192343-2353. [9] 张伟华,陈军. CCD摄像机标定[J]. 传感器与微系统,2009, 28 2107-109. [10] Chao XG, Faraz M.M. An Analytical Least-Squares Solution to the Odometer-Camera Extrinsic Calibration Problem[J]. IEEE international Conference on Robotics and Automation RiverCentre, 2012053962-3968. [11] Tsai, Roger Y., and Reimar K. Lenz. A new technique for fully autonomous and efficient 3D robotics hand/eye calibration[J]. IEEE Transactions on robotics and automation, 1989 03 345-358. [12] 米雪,苏建明. 稳定精确的摄像机标定方法[J]. 计算机工程 与应用,2012,4816190-193. [13] 张铮, 王艳平, 薛桂香. 数字图像处理与机器视觉Visual C 与Matlab实现[M]. 北京人民邮电出版社, 2012. [14] K. Schenk, A. Kolarow, M. Eisenbach. Automatic calibration of a stationary network of laser range fi nders by matching movement trajectories[J]. IEEE/RSJ IROS 2012. 第一作者简介蔡振浩（1979-） ，男，博士，研究领域为人 工智能、机器视觉等关键技术在智能制造领域应用。 （编辑 王智圣） 序号 1 2 3 4 5 6 流程 相机图像 高精度匹配 标定转换 单点对位 格式化 发送数据 内容 执行图像采集 进行定位获取图像坐标系位置 将像素坐标转换为物理坐标 计算当前值与基准值偏差 将数据按照约定格式进行打包 将数据发送给机器人 表3VM平台实现相机纠偏引导流程 （上接第100页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 2020年05月机 电 工 程 技 术第49卷第05期 156