液压支架电液控制系统的设计

任建庭

（阳煤寺家庄有限责任公司机运部修配队， 山西 昔阳 045300）

引言

据统计表明，我国每年生产和消耗的煤炭量在全球范围内占据前列。煤炭作为一次能源在我国工业和日常生活的作用不可估量，且在未来很长一段时间内煤炭依然在我国能源结构中占据主导地位。目前，我国煤炭生产的机械化程度已经达到75%左右。因此，提升综采工作面产煤效率可通过提升工作面综采设备的自动化水平来实现[1]。液压支架是综采工作面的关键设备，需根据实际生产需求对其进行升降、推溜以及移架等操作。在传统生产过程中，常通过作业人员对上述操作进行手动控制，存在控制精度低、控制不到位的问题。液压支架电液控制系统是解决其控制效率的关键。本文将以XX矿的液压支架为研究对象，对电液控制系统进行设计与调试。

1 液压支架参数

本文以某矿某工作面1 号煤层所用的液压支架为研究对象。1 号煤层的煤层高度为0.8～1.3 m，煤层结构稳定且不含煤矸石[2]。1 号煤层工作面所采用的支架类型为两柱掩护式液压支架，型号为ZY3800/08/17D。该支架的关键参数如表1 所示。

表1 ZY3800/07/16D 关键参数表

2 液压支架电液控制系统原理

为实现液压支架的自动化、无人值守的生产，要求其电液控制系统能够根据采煤机的实时位置对其进行推溜、移架等操作。为此，需将传感器、红外遥感等技术应用于其中，从而对现场工作面顶板和底板的支护效果达到最佳[3]。

电液控制系统控制思路：通过对现场液压支架立柱压力、千斤顶位移等关键信息采集并分析处理后，结合下一步生产计划及采煤机的实时位置等信息将电液控制系统控制器所得的控制信号通过电磁先导阀转换为液压信号对液压支架各执行部件进行控制。图1 所示为液压支架电液控制系统总体方案。

图1 液压支架电液控制系统总体方案

3 电液控制系统控制器的设计

控制器作为液压支架电液控制系统的核心，其主要功能是实现对工作面所有液压支架工作状态的实时监测、控制以及通信等功能。为确保其能够适应综采工作面相对恶劣的工作面，要求其控制具有较高的可靠性[4]。为此，液压支架控制器除需满足关键技术参数指标外，还要求其具备可靠的环境适应性。

3.1 电液控制器主体结构的设计

根据液压支架电液控制系统的控制需求，其控制器需包括有数据采集单元、通信单元、人机交互单元以及电磁驱动单元等。电液控制器的结构组成如下页图2 所示。

如图2 所示，数据采集单元基于其中各类传感器对液压支架及其采煤机的关键参数进行采集；人机交互单元包括对所采集到数据的存储与显示、作业人员的操作按钮等；通信模块中CAN 总线是各个液压之间进行数据通信的基础；I2C 是实现上位机与下位机通信的基础[5]。

为提升液压支架电液控制系统的适应性和可靠性，要求能够根据生产环境及生产任务的不同对相关参数进行修正，最终达到最佳的支护效果和控制效率。图3 所示为液压支架电液控制系统对其支护参数修正的逻辑图。

图2 电液控制器结构组成图

图3 液压支架电液控制系统参数优化逻辑图

3.2 电液控制器配套功能的设计

3.2.1 液压支架高度监测分系统的设计

在实际生产中，为了避免液压支架顶梁与采煤机滚筒出现干扰现象。将电液控制系统中新增液压支架高度监测系统。液压支架高度监测系统的核心为高度传感器，将高度传感器分别安装于液压支架顶梁和控制器，以确保其能够实时监测煤层厚度、液压支架支护高度以及掩护梁与顶梁连接处的高度。

3.2.2 液压支架姿态监测分系统的设计

为充分掌握液压支架的姿态，在其电液控制系统中新增姿态监测分系统。该分系统主要根据倾角传感器对立柱的倾斜角以及顶梁底座的偏转角等参数进行监测。将所采集的倾斜角、偏转角等数据信息上传于电液控制器中分析判断。若超出规定值，控制器应及时调整支架的立柱压力及四连杆机构，以确保液压支架的处于良好的运行姿态。

4 采煤机位置监测系统的设计

精确掌握采煤机的实时位置是实现液压支架自动控制的基础。鉴于综采工作面存在瓦斯且粉尘浓度较高导致视野不好的问题，常通过采煤机位置监测获取采煤机的实时位置。采煤机位置监测系统的结构如图4 所示。

如图4 所示，采煤机位置监测系统主要包括传感器模块、处理器模块以及通信模块。其中，采煤机上安装发射模式的位置监测系统，液压支架上安装红外接收模式的位置监测系统。

图4 采煤机位置监测系统

5 液压支架电液控制系统通信网络的设计

液压支架电液控制系统信息的通信主要有两类数据：上位机与电液控制器之间的数据通信（A 类数据）、电液控制器内部的数据通信（B 类数据）。其中，A 类数据主要为液压支架的实时工作状态；B 类数据为控制支架动作的指令信息。鉴于A 类数据和B类数据类型及时效性的区别，针对A 类数据采用RS485 总线通信，针对B 类数据采用SPI 通信。RS485 总线通信和SPI 通信流程如图5 所示。

图5 电液控制系统通信流程

6 结语

为实现液压支架的自动化生产，传统液压支架的手动控制模式不断发展到如今的电液控制模式。电液控制器作为其电液控制系统的核心，其主要通过压力、位移、角度、高度等传感器获取相应数据实时掌握液压支架工作状态，并经其PLC 控制器对数据进行分析处理后，通过RS485 总线通信上传至上位机，将最终所得的控制信号通过SPI 通信在各个控制器之间传递，从而实现了液压支架的单架、成组控制。此外，液压支架还可以通过掌握采煤机的实时位置实现对其进行自动化控制的目的。总之，电液控制系统是实现液压支架无人值守、自动化生产的基础。