電液控制系統(tǒng)元部件的電液控制

電液控制系統(tǒng)元部件的電液控制

支撐臂的移架速度是限制勞動(dòng)力生產(chǎn)的主要因素之一。使用液壓鎖的電氣候控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)力和效率最有效的技術(shù)方法。支架電液控制是將電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和液壓技術(shù)結(jié)合為一體的新技術(shù)。目前,支架電液控制系統(tǒng)已經(jīng)成為煤礦綜采工作面生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。國(guó)產(chǎn)支架電液控制系統(tǒng)近幾年有了較大的突破,2004年北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司(簡(jiǎn)稱北京天地瑪珂公司)承擔(dān)了國(guó)家科技部科研院所技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)資金項(xiàng)目開始進(jìn)行支架電液控制系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā),于2008年12月通過(guò)了由中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的成果鑒定;2007年12月,四川神坤裝備股份有限公司(簡(jiǎn)稱四川神坤公司)研制的3.5m液壓支架電液控制系統(tǒng)通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)議;2009年3月,鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司(簡(jiǎn)稱鄭州煤機(jī)廠)進(jìn)行了30架井下工業(yè)性試驗(yàn),同年11月進(jìn)行了技術(shù)鑒定;2009年10月,山西平陽(yáng)廣日機(jī)電有限公司成功研制液壓支架電液控制系統(tǒng)。目前國(guó)外支架電液控制技術(shù)已經(jīng)成熟,國(guó)產(chǎn)支架電液控制技術(shù)在近幾年內(nèi)有了較快發(fā)展,電液控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)基本成熟,隨著國(guó)產(chǎn)支架電液控制系統(tǒng)的不斷推廣應(yīng)用,電液控制系統(tǒng)將逐步完善,全面發(fā)展。1支架控制器ndf支架電液控制系統(tǒng)由支架控制器、人機(jī)操作界面、壓力傳感器、行程傳感器、角度傳感器、紅外傳感器、隔離耦合器、電源箱、連接器、電磁先導(dǎo)閥、主閥、電源電纜、網(wǎng)絡(luò)變換器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、主控計(jì)算機(jī)、地面計(jì)算機(jī)等組成。支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。支架電液控制系統(tǒng)的最小單元稱為支架控制單元,它以支架控制器(即微型的嵌入式計(jì)算機(jī))為核心,并完整地包含了作為自動(dòng)控制裝置必備的2個(gè)環(huán)節(jié),即檢測(cè)環(huán)節(jié)(傳感器)和動(dòng)作執(zhí)行環(huán)節(jié)(由幾個(gè)電磁先導(dǎo)閥和液控主閥組成的閥組)。支架控制器裝有軟件,內(nèi)嵌操作系統(tǒng),通過(guò)按鍵操作發(fā)出命令,執(zhí)行該支架的全部動(dòng)作和工況監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集。工作面支架是個(gè)群體,采用電液控制要求它具備先進(jìn)的功能,例如方便靈活的操作,支架控制的自動(dòng)化,可靠的安全保障,以及眾多支架間的協(xié)調(diào)配合關(guān)聯(lián)動(dòng)作等,只有通過(guò)各支架控制器的互聯(lián)才能得以實(shí)現(xiàn)。工作面所有支架控制器互聯(lián)成為一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),采用總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制器間的數(shù)據(jù)通信,利用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)任務(wù)的管理與實(shí)時(shí)調(diào)度,使電液控制系統(tǒng)在功能和性能上得到了提高。通過(guò)采煤機(jī)位置檢測(cè)裝置,對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行定位,實(shí)現(xiàn)工作面支架的跟隨,采煤機(jī)自動(dòng)化控制。采用網(wǎng)絡(luò)變換器對(duì)工作面支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理,實(shí)現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)管理,將工作面數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器送到工作面巷道的主控計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工作面支架電液控制系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控,并可通過(guò)井下交換機(jī)將電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)送到地面計(jì)算機(jī)上,地面計(jì)算機(jī)將對(duì)井下工作面的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。2支架電液循環(huán)系統(tǒng)的主要元件結(jié)構(gòu)類型和技術(shù)2.1感器與電磁驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支架控制器是支架電液控制系統(tǒng)的核心部件。國(guó)產(chǎn)支架控制器采用橡膠密封、環(huán)氧樹脂全灌封等措施,使支架控制器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68,提高了支架控制器的抗潮能力?？刂破饕宰钕冗M(jìn)的ARM和Z80等芯片為核心,采用嵌入式技術(shù),系統(tǒng)內(nèi)嵌操作系統(tǒng),提高了控制器的實(shí)時(shí)性能,控制器電路具有容量大、速度高、接口多等特點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)支架控制器在結(jié)構(gòu)上主要分為一件式和兩件式2種結(jié)構(gòu)型式。一件式的控制器將人機(jī)操作界面、傳感器數(shù)據(jù)采集和電磁驅(qū)動(dòng)集成為一體,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是當(dāng)主閥與控制器安裝位置距離較遠(yuǎn)時(shí),電磁先導(dǎo)閥連接器線纜較長(zhǎng)不利于維護(hù),同時(shí),當(dāng)操作鍵盤等易損件出現(xiàn)故障時(shí)將直接影響支架的動(dòng)作控制,鄭州煤機(jī)廠采用此種結(jié)構(gòu)型式;兩件式的結(jié)構(gòu)是根據(jù)不同的需求對(duì)一件式結(jié)構(gòu)的改進(jìn),將人機(jī)界面從控制器分離出來(lái),將易損件操作鍵盤分離出來(lái),提高了控制器的可靠性,當(dāng)人機(jī)界面出現(xiàn)故障時(shí),可以對(duì)左右鄰架進(jìn)行操作,不會(huì)影響支架的動(dòng)作,北京天地瑪珂公司采用了此種結(jié)構(gòu)型式;將電磁驅(qū)動(dòng)從控制器分離出來(lái),便于驅(qū)動(dòng)器的安裝布置,縮短了驅(qū)動(dòng)器與電磁先導(dǎo)閥的連線,便于支架電液控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展,四川神坤公司采用了此種結(jié)構(gòu)型式。支架控制器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆形式為本質(zhì)安全型;額定工作電壓為DC12V,額定工作電流小于130mA;采用電磁驅(qū)動(dòng),20路開關(guān)量輸出,驅(qū)動(dòng)電流為100～120mA;5路模擬量輸入,其中電流型為0.2～1.0mA,電壓型為0.5～4.5V;通信接口為雙冗余型,CAN總線波特率為19.2～33.3kbit/s;RS422總線波特率為38.4kbit/s;RS232接口波特率為9.6kbit/s;CPU為ARM7,Z80系列,主頻大于等于22MB,FLASH內(nèi)存大于等于512kB,SRAM內(nèi)存大于等于512kB;防護(hù)等級(jí)為IP68。2.2電源分配耦合單元隔離耦合器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)支架控制器的電源組隔離和信號(hào)耦合。耦合器電路是以單片機(jī)為核心器件,選擇高速光電耦合器實(shí)現(xiàn)了2組電源的信號(hào)隔離耦合,耦合器上配置能耗檢測(cè)的專用芯片,檢測(cè)電液控制系統(tǒng)電源組的整體功耗。隔離耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆形式為本質(zhì)安全型,其額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為60mA。2.3煤基支架電液控制系統(tǒng)的組成傳感器對(duì)支架電液控制動(dòng)作進(jìn)行感知,實(shí)現(xiàn)支架動(dòng)作的閉環(huán)控制,國(guó)產(chǎn)傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟,基本能夠滿足支架電液控制系統(tǒng)的要求。傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。1)壓力傳感器安裝在煤礦井下采煤工作面的液壓支架上,用來(lái)檢測(cè)支架相關(guān)腔體的壓力,為支架控制器提供控制動(dòng)作的依據(jù),實(shí)現(xiàn)支架電液控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。壓力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆形式為本質(zhì)安全型,額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為15mA,有效測(cè)量范圍為0～60MPa,測(cè)量精度為0～0.5MPa,模擬輸出信號(hào)為DC0.5～4.5V。2)行程傳感器安裝在煤礦井下采煤工作面的液壓支架上,用來(lái)檢測(cè)推移千斤頂行程,為支架控制器提供推移動(dòng)作控制的依據(jù),實(shí)現(xiàn)支架電液控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制,主要是以干簧管原理的行程傳感器為主導(dǎo)產(chǎn)品,國(guó)產(chǎn)行程傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。行程傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆形式為本質(zhì)安全型,額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為15mA,有效測(cè)量范圍為0～1200mm,測(cè)量精度為3mm,模擬輸出信號(hào)為DC0.5～4.5V,0.2～1.0mA。3)角度傳感器用來(lái)進(jìn)行支架動(dòng)作過(guò)程中姿態(tài)控制和高度控制,實(shí)現(xiàn)支架平衡千斤頂動(dòng)作過(guò)程的閉環(huán)控制和支架動(dòng)作的高度控制等。角度傳感器在煤礦支架電液控制系統(tǒng)中的應(yīng)用剛起步,寧煤集團(tuán)6.2m高支架配置了角度傳感器,可對(duì)支架姿態(tài)和高度進(jìn)行控制。角度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆形式為本質(zhì)安全型,采用RS232接口方式,額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為20mA,有效測(cè)量范圍為0～90°,測(cè)量精度為0.4°。2.4無(wú)線射頻方式對(duì)采煤機(jī)的位置進(jìn)行檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)支架跟隨采煤機(jī)的自動(dòng)控制。采煤機(jī)位置檢測(cè)方式分為2種,一種是采用無(wú)線射頻方式,工作面每隔40～50架安裝1臺(tái)接收器,該方式具有接收器少、成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn);另一種是采用紅外線方式,需要在每架上安裝1臺(tái)接收器,該方式技術(shù)成熟可靠,目前國(guó)外支架電液控制系統(tǒng)均采用此種方式。1信號(hào)/信號(hào)轉(zhuǎn)換防爆形式為本質(zhì)安全型,額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為50mA,發(fā)送信號(hào)波長(zhǎng)為830～950nm,發(fā)送信號(hào)范圍為40°,接收信號(hào)范圍為80°,傳輸距離為5m。2系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)防爆形式為本質(zhì)安全型,額定工作電壓為DC12V,額定工作電流為150mA,通信距離為50～100m,系統(tǒng)(采集)精度為0.1m,無(wú)線碼速率為1200bit/s,接口標(biāo)準(zhǔn)采用RS232,RS485,TTL電平可選。2.5工作面支架電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)變換器用來(lái)接收采煤機(jī)位置信號(hào),進(jìn)行采煤機(jī)位置判別、報(bào)送,進(jìn)行工作面支架電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)工作面支架電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。網(wǎng)絡(luò)變換器可采用1臺(tái)控制器,使用專用軟件即可。2.6網(wǎng)絡(luò)變換器控制模式主控計(jì)算機(jī)有本安和隔爆2種型式,本安主機(jī)具有質(zhì)量小、成本低、安全可靠等特點(diǎn);隔爆主機(jī)具有性能高的特點(diǎn),主控計(jì)算機(jī)主要用來(lái)接收工作面網(wǎng)絡(luò)變換器通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器傳送的工作面支架電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù),對(duì)工作面支架電液控制系統(tǒng)實(shí)施集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控,并將工作面數(shù)據(jù)通過(guò)井下交換機(jī)傳送到地面計(jì)算機(jī)上。主控計(jì)算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下:防爆型式為隔爆兼本質(zhì)安全型,采用CAN,RS485/422,USB,RS232,以太網(wǎng)等接口,主頻為0.5～1.0GHz;顯示屏為17′,最大分辨率為1280×1024像素,操作系統(tǒng)為L(zhǎng)INUX或WINDOWS。2.7普通的插裝式主閥液控主閥是液壓支架電液控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,主流產(chǎn)品均采用整體插裝式結(jié)構(gòu),便于維護(hù)和更換,所有金屬零件均采用不銹鋼或銅合金等防銹耐腐蝕材料。各國(guó)主要制造商分別開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)的液控主閥產(chǎn)品:金屬-塑料密封、浮動(dòng)回液閥座結(jié)構(gòu)主閥,金屬-塑料密封具有差動(dòng)功能的插裝式主閥,金屬-塑料軟密封滑閥結(jié)構(gòu)的插裝式直動(dòng)控制主閥以及金屬-金屬硬密封對(duì)頂結(jié)構(gòu)的插裝式主閥,以上4種典型結(jié)構(gòu)的液控主閥均已得到廣泛應(yīng)用,性能穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)不斷創(chuàng)新,根據(jù)不同的使用要求研發(fā)出了500L/min大流量整體插裝式主閥和集控制器、支架過(guò)濾器、先導(dǎo)閥過(guò)濾器、主閥于一體的高集成超薄型主閥等系列化產(chǎn)品,分別解決了大采高、高工作阻力液壓支架要求液控主閥強(qiáng)過(guò)液能力和薄煤層液壓支架安裝空間小的難題。液控主閥的主要技術(shù)指標(biāo)如下:公稱壓力為31.5MPa,最高工作壓力為35MPa,公稱流量為320～500L/min,采用液壓控制方式,使用壽命超過(guò)30000次。2.8電導(dǎo)閥的研制電磁先導(dǎo)閥是電液控制系統(tǒng)的核心元件,屬本質(zhì)安全型高水基介質(zhì)閥。它在電液控制系統(tǒng)中的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液信號(hào),從而通過(guò)液控?fù)Q向閥來(lái)控制液壓支架油缸,實(shí)現(xiàn)液壓支架有序動(dòng)作。由于受液壓支架電液控制系統(tǒng)和本質(zhì)安全型條件的約束,給電磁先導(dǎo)閥的研制帶來(lái)了困難。體現(xiàn)在小功率(小于1.5W)驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)高水基介質(zhì)高壓閥的可靠密封、動(dòng)作靈活、響應(yīng)及時(shí)和高耐久性。為此,要解決正壓力小和水基介質(zhì)下耐久可靠密封結(jié)構(gòu)需要高比壓的矛盾,以及電磁鐵保持吸力滿足要求時(shí)有效行程盡可能大的2個(gè)基本矛盾。影響這2個(gè)基本矛盾的因素很復(fù)雜,各國(guó)主要制造商通過(guò)多年研究,開發(fā)出滿足規(guī)模生產(chǎn)要求的電磁先導(dǎo)閥。我國(guó)由于受研究測(cè)試手段和機(jī)械加工的限制,電磁先導(dǎo)閥的開發(fā)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家稍晚一些。電磁先導(dǎo)閥的主要技術(shù)指標(biāo)如下:公稱壓力為31.5MPa,公稱流量為0.4～1.0L/min,工作電壓為DC10～12V,工作電流為40～180mA,單個(gè)電磁鐵電阻值為56～110Ω,響應(yīng)時(shí)間為90～150ms。3國(guó)內(nèi)外電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件開發(fā)在技術(shù)上與國(guó)外同類產(chǎn)品處于同一水平國(guó)產(chǎn)支架電液控制系統(tǒng)采用最先進(jìn)的嵌入式技術(shù)和CPU產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),具有容量大、速度快、抗干擾能力強(qiáng),具有較強(qiáng)的控制功能,在分析國(guó)產(chǎn)支架電液控制系統(tǒng)與國(guó)外同類產(chǎn)品在電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合電液控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)使用情況,按照電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件的設(shè)計(jì),取得了多項(xiàng)發(fā)明專利,國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵元件開發(fā)在技術(shù)