基于PLC,的煤矿液压支架电液控制系统研究和设计
时间：2023-06-28 11:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
宋云霞
（晋能控股装备制造集团大同机电装备公司大同力泰机械有限公司，山西 大同 037001）
液压支架是煤矿综采工作面重要的机械支护设备，可对现场的各类采煤机械设备和工作人员起到保护作用，同时配合采煤机、刮板输送机等设备完成煤炭的开采、破碎、运输工作，实现工作面煤炭安全开采［1］。国内较早设计的液压支架控制系统一般采用人工手动控制或者半自动控制方式，自动化水平较低，而且不具备自我诊断功能，数据传输稳定性差。国外在液压支架电液控制系统方面发展比较迅速，技术比较全面。但国外电液控制系统价格昂贵，内部协议及技术不公开，一旦发生故障，维修复杂且周期较长，严重制约我国煤矿综采工作面的智能化发展［2-3］。
为此，基于PLC和CAN总线通信技术设计了一套煤矿液压支架电液控制系统，通过多传感器技术可对液压支架及周围环境、设备实现全面的信息监测，为系统实现自我诊断功能和控制功能提供数据支持，液压支架可实现自身跟机自动化追架、推溜、支护等动作，数据传输稳定可靠，显著提升了液压支架的自动化控制水平。
液压支架电液控制系统整体架构如图1所示。整个系统由上位机、打印机、服务器、多个液压支架控制器、CAN总线通信电路、RS485通信电路、液压支架及电磁阀组等组成。
图1 液压支架电液控制系统整体架构
其中，上位机、服务器、打印机等设备位于地面远程控制室，负责对全组液压支架的状态信息进行监控显示、数据存储、报表打印，同时具备远程控制功能，可根据状态信息、周围环境信息、各组支架之间的状态实现支架跟机移架等功能。支架控制器是电液控制系统的核心部分，可实时监测液压支架的工况信息及液压支架与其他设备之间的关联状态，同时也是控制设备，可控制电磁阀组进而控制液压支架动作。支架控制器之间通过RS485总线通信方式进行数据传输，数据传输稳定，支架控制器实际数量根据液压支架的多少来决定。各支架控制器与地面远程控制室之间通过双通道CAN总线通信方式进行数据传输，一条CAN总线负责接收各支架控制器采集的状态信息并上传给上位机，另一条CAN总线负责下达控制指令，通过判断采煤机和液压支架的位置来控制支架完成各项操作。
2.1 支架控制器硬件方案设计
支架控制器硬件方案如图2所示。液压支架控制器由PLC控制系统、电磁阀控制电路、红外接收电路、CAN总线通信电路、压力传感器、行程传感器、超声波物位传感器、倾角传感器、声光报警电路、键盘输入电路、液晶显示电路、供电单元组成。
图2 支架控制器硬件方案框图
PLC控制系统是核心中转站，提供数据传输的CAN总线通信接口和RS485通信接口，同时具备数据智能处理功能。支架控制器配置5类传感器，负责对实时监测支架的状态信息及支架与采煤机的相对位置，为完成支架动作提供数据支撑。供电单元负责为PLC控制系统及各类电子电路提供电源。电磁阀控制电路负责直接驱动电磁阀控制液压支架。外围电路包括声光报警电路、键盘输入电路、液晶显示电路，负责故障报警、参数设定、数据显示等功能。
2.2 PLC控制器设计与选型
PLC控制器是支架控制器的核心控制设备，因其性能稳定、可靠性高、功能强大，被广泛应用于煤矿现场。目前我国多数煤矿环境比较恶劣，国家在煤矿使用设备选择上也有一定的标准要求，综合考虑，本系统选用西门子S7-200系列PLC控制器。该系列PLC编程简单、体积小、响应速度快、稳定性高，完全匹配实际工作环境，同时也满足控制对象输入与输出点数。CPU选择西门子公司PLCS7-200系列的CPU226［4］。
2.3 传感器单元设计与选型
压力传感器安装在推压密实装置油缸内和立柱油缸内，用于检测推压密实装置油缸内的压力和立柱底腔压力，压力传感器选用型号为GPD60型。倾角传感器安装于顶梁及后连杆，用于检测顶梁及后连杆倾斜角度，判断支护高度，传感器选用型号为MPU6050。行程传感器安装于推移千斤顶位置，用于检测活塞杆位移，传感器选用型号为GUD-960-M1-C3。红外传感器分为红外发射装置与红外接收装置，将红外发射装置安装于采煤机，接收装置安装于液压支架，系统通过判断采煤机的位置，实现液压支架移架的自动控制，红外发送装置选用型号为GUH5-F，红外线接收装置选用型号为GUH5-D。
2.4 架间通信方案设计
系统支架控制器之间的相互通信是电液控制系统通信的核心部分，通过架间通信，可实时掌握邻架之间的工况状态，为自动化控制提供帮助。架间通信要求通信网络数据传输性能好，考虑到架间传输数据量大，采用RS485总线通信方式，抗噪性能优越，传输速率快。本系统架间通信采用RS-485接口串行数据通信方式，将其设计为两路通信方式，一路负责信息的接收，一路负责信息的发送，相互独立，避免信息冲突，光耦隔离芯片选择TLP521，MAX485芯片用于电平转换［5］。
通过对电液控制系统的功能及工艺流程分析，采用梯形图来实现对软件控制程序的编写。为便于调试和修改，采用模块化设计思想，将各功能模块设计为独立的子程序，由主程序统一调用。子程序调用方式大部分通过中断子程序执行，部分子程序则放在主程序中循环执行。系统的主程序流程如图3所示。
功能子程序包括CAN总线通信子程序、RS485通信子程序、键盘输入子程序、LCD输出子程序、声光报警子程序、控制模式选择子程序、传感器采集与监测子程序、自动控制子程序、动作执行子程序、急停闭锁子程序。
电液控制系统的控制模式分为三种：就地控制模式、远程控制模式、自动控制模式。
目前该液压支架电液控制系统已经在高平煤矿投入运行，并已试运行1年零6个月，达到了预期的目标和效果，各项技术性能均达到设计要求。通过该电液控制系统，能够实现邻架控制中的各项功能，支架可自主移动到预定位置，自主实现支护、移架、推溜等动作，提高了综采工作面的自动化程度，降低了工作人员劳动强度，提高了生产效率，该系统的成功应用，在煤矿综采工作面自动化发展的道路上具有里程碑意义。
图3 主程序流程框图
基于PLC控制技术、CAN总线双向通信技术、RS485双向通信技术、传感器检测技术等设计的一套液压支架电液控制系统，实现了上位机与支架控制器的独立控制，实现了支架控制器之间的数据传输和控制指令下达，实现了对支架自身的自我诊断功能，完成了自主支护、移架、推溜等操作，应用前景广阔。
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