煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)研究

田海波

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 前言

在現(xiàn)代煤礦中，液壓支架在煤炭開(kāi)采中得到了較為廣泛的應(yīng)用，從而使得煤礦綜采工作面在自動(dòng)化、信息化方面得到了很大的提高。液壓支架采用電液控制方式，液壓支架借助電液控制系統(tǒng)，具有較快的移動(dòng)速度并能靈活地進(jìn)行控制，同時(shí)信息化技術(shù)的使用將極大地減少了煤礦井下作業(yè)人員的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)少人甚至是無(wú)人化遠(yuǎn)程管理。為做好液壓支架的發(fā)展與應(yīng)用，需要對(duì)液壓支架的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，并在此基礎(chǔ)上積極引入新的技術(shù)與工藝，確保電液控制技術(shù)能夠取得良好的應(yīng)用效果。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由主控單元、傳感器、控制器、液控閥、總線等部分組成。控制器是液壓支架的核心，主要用于操控液壓支架。傳感器是各類信號(hào)傳感器（壓力、溫度、速度、電壓等）的總稱，其主要用于檢測(cè)液壓支架在井下的運(yùn)行情況與運(yùn)行環(huán)境，判斷液壓支架是否正常運(yùn)行。液控閥等主要用于控制液壓回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)于油缸等執(zhí)行部件的控制。主控單元是信息處理的中心，用于人機(jī)交互和對(duì)傳感器所采集到的各種信號(hào)信息進(jìn)行處理?？偩€則主要用于構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，將液壓支架電液控制系統(tǒng)各組成部分有機(jī)地聯(lián)系在一起。

總體來(lái)說(shuō)，液壓支架電液控制系統(tǒng)具有極高的自動(dòng)化、信息化處理能力，主控單元通過(guò)對(duì)所采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，并反饋至操控面板，工作人員選擇是以手動(dòng)方式或是自動(dòng)方式來(lái)操控電液系統(tǒng)，從而使其能夠完成相關(guān)的動(dòng)作，各類傳感器則檢測(cè)所執(zhí)行的動(dòng)作是否到位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是液壓支架電液控制系統(tǒng)的信息處理核心，信息采集依靠的是各類傳感器，動(dòng)作執(zhí)行依靠的是液控閥與各類執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

2 液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由軟件、硬件2個(gè)部分組成，在設(shè)計(jì)液壓支架電液控制系統(tǒng)時(shí)，首先需要設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。液壓支架電液控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，液壓支架電液控制器主要分為微處理器、通信模塊、電源模塊、I/O模塊以及人機(jī)交互模塊等部分。微處理器多采用的是高性能增強(qiáng)型單片機(jī)，可以采用ARM或是DSP作為主控芯片，用以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和信息處理工作。電源模塊部分選用24 V開(kāi)關(guān)電源作為供電電源，液壓支架電液控制器硬件電路選用3.3 V的電源芯片，以此來(lái)將輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂瓢迳纤枰牡碗妷?，為保證供電質(zhì)量，在液壓支架電液控制器中還需要加設(shè)濾波和抗干擾功能，以此來(lái)為液壓支架電液控制器提供低耗能、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)的供電[1]。存儲(chǔ)模塊選用的是高性能大容量固態(tài)硬盤與內(nèi)存，其中大容量的內(nèi)存能夠滿足液壓支架電液控制器繁復(fù)的命令存儲(chǔ)與運(yùn)算需求，而大容量的硬盤可以將液壓支架電液控制器的運(yùn)行信息、數(shù)據(jù)等充分地記錄下來(lái)，滿足后期調(diào)用檢查與維護(hù)。I/O模塊主要用于對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行處理。液壓支架電液控制系統(tǒng)中不僅接收了大量的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也會(huì)接收大量的模擬信號(hào)，I/O模塊通過(guò)加裝專用的數(shù)字和模擬模塊，來(lái)將相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信息，MCU通過(guò)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理，液壓支架電液控制系統(tǒng)自動(dòng)控制程序或是人機(jī)交互界面由人工操作所產(chǎn)生的控制信息，將經(jīng)由I/O模塊轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)液壓支架電液控制閥等能夠識(shí)別的控制電壓、電流等，完成對(duì)于液壓支架的電液控制。傳感器主要用于對(duì)液壓支架各部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，例如：液壓支架液壓壓力、采煤機(jī)移動(dòng)距離、電流電壓等[2]，由于需要采集的信號(hào)眾多，因此，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況合理地對(duì)傳感器的型號(hào)、數(shù)量進(jìn)行選取，做到最優(yōu)配置。如果需要對(duì)模數(shù)混合信號(hào)進(jìn)行采集，可以選用多路信號(hào)采集器。液壓支架電液控制系統(tǒng)采用CAN總線完成控制主機(jī)與各終端之間的通信連接。電磁驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解讀，并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)來(lái)控制各電磁閥的開(kāi)度。人機(jī)交互界面主要用于輸入操作人員的在線監(jiān)控與指令，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行修改或設(shè)置。

2.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)位置檢測(cè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)位置檢測(cè)采用的是紅外感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，分別安裝在采煤機(jī)和液壓支架上，液壓支架電液控制系統(tǒng)位置檢測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。需要注意的是，安裝在液壓支架和采煤機(jī)上的位置檢測(cè)裝置為配套系統(tǒng)。在硬件電路的設(shè)計(jì)上，檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射模塊向接收端發(fā)射紅外信號(hào)，接收端則需要對(duì)所接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行解碼，并將其發(fā)送至控制器中來(lái)確定液壓支架和采煤機(jī)兩者之間的位置。將所計(jì)算出的信號(hào)傳輸至支架控制器中來(lái)完成對(duì)于液壓支架的自動(dòng)化控制。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)位置檢測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 巷道主機(jī)的設(shè)計(jì)

巷道主機(jī)是控制液壓支架的重要設(shè)備，其采用單片機(jī)的設(shè)計(jì)，在滿足使用要求的基礎(chǔ)上需要做好抗干擾性、可靠性的設(shè)計(jì)。液壓支架電液控制系統(tǒng)整體采用220 V供電，主機(jī)通過(guò)變換轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V的本安電源模塊，巷道主機(jī)顯示與主板使用24 V供電，巷道主機(jī)利用各種接口（如以太網(wǎng)、串口等）與其他設(shè)備進(jìn)行信息交換。巷道主機(jī)使用2硬盤進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.4 液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件的功能

液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件可以對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行線路、運(yùn)行位置、首末液壓支架架號(hào)、各支架架號(hào)、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)以及支架噴霧情況等進(jìn)行顯示，并將各支架的運(yùn)行信息顯示在人機(jī)交互界面中供操作人員查看操作。液壓支架電液控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮各方因素，尤其是要注意做好人機(jī)交互，為用戶提供良好的使用體驗(yàn)。

2.5 液壓支架電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建

由于液壓支架電液控制系統(tǒng)在井下作業(yè)時(shí)面臨著復(fù)雜的井下情況，為保障液壓支架電液控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行防護(hù)保護(hù)。液壓支架電液控制系統(tǒng)井下網(wǎng)絡(luò)需要使用10/100 Mbit/s網(wǎng)絡(luò)與光纖交換機(jī)井下主機(jī)相連接，使用TCP/IP完成信號(hào)的傳輸。液壓支架電液控制系統(tǒng)的地面主控站與井下主機(jī)之間及相關(guān)配套設(shè)備使用CAN總線或是PROFIBUS總線進(jìn)行連接通信，各支架控制器之間采用雙工串行通信方式。利用上述方案建立的液壓支架電液控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將具有良好的通信性能和抗干擾性能。雙工串行通信充分利用了串行通信“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的傳輸特性，并在信息中加入數(shù)據(jù)驗(yàn)證、錯(cuò)位診斷等方式，從而有效地保證了液壓支架電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠運(yùn)行[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

液壓支架是煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，液壓支架將能夠有效提升煤礦巷道井下的支護(hù)水平。隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，液壓支架的信息化、自動(dòng)化水平得到了有效提升，從而使煤礦綜采自動(dòng)化水平得到了極大提升。液壓支架電液控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于井下液壓支架的自動(dòng)化控制，減少井下作業(yè)人員的人數(shù)，提高煤礦井下作業(yè)的安全性。該文在分析液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)如何做好液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中所需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了介紹。