基于總線技術(shù)的液壓支架控制系統(tǒng)研究

張雪平

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架是綜采工作面最重要的設(shè)備之一，布置在整個綜采工作面上，與采煤機和刮板輸送機配合進行煤炭資源的開采。液壓支架能實現(xiàn)對采區(qū)頂板的支護、切頂、自移和推溜等動作，防止頂板脫落，為綜采作業(yè)提供工作空間，降低工人勞動程度，保障人員和設(shè)備安全。液壓支架的動作是依靠電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，其自動化程度和可靠性對整個綜采作業(yè)面的生產(chǎn)效率有很大影響[1]。

1 總體方案

液壓支架的電液控制系統(tǒng)是由地面控制室、支架控制器主站、支架控制器從站、液壓支架、壓力傳感器、位移傳感器組成的，系統(tǒng)通過CAN總線進行現(xiàn)場通訊，實現(xiàn)液壓支架的整體控制，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

支架控制器是整個控制系統(tǒng)的核心元件，分為主站和從站，由微處理器、信息傳輸模塊、操作鍵盤組成。每個從站控制一套液壓支架，按照控制信號對液壓支架的液壓系統(tǒng)進行控制，完成液壓支架的各種動作，同時接收安裝在液壓支架上的傳感器信號，并將液壓支架狀態(tài)信息實時傳輸?shù)街髡荆髡就ㄟ^以太網(wǎng)與地面控制室進行通訊，將液壓支架的實時信息直觀顯示在顯示屏上，方便技術(shù)人員進行監(jiān)測。當液壓支架數(shù)量超過一定數(shù)量時，需要增加CAN中繼器，保證總線的通訊質(zhì)量。

2 網(wǎng)絡(luò)通訊總線

組建一個先進的總線通訊網(wǎng)絡(luò)是保證整個系統(tǒng)正常運行的前提條件，在井下對總線通訊的要求主要有以下四個方面。

2.1 通訊距離

井下的通訊一般采用兩級總線方式進行通訊，在規(guī)模較小時可以一級現(xiàn)場總線，采用光纖或同軸電纜進行多媒體信息的傳輸，要求通訊距離一般不得小于10 km。通訊距離的長短與通訊速率有關(guān)。標準的通訊速率有5 kbps、10 kbps、20 kbps，一般情況下，通訊速率為5 kbps時，通訊距離可達到10 km，特殊情況下可以選擇通訊速率2.5 kbps以延長通訊距離。根據(jù)實際情況，若要求更長距離的通訊，可以安裝一個CAN網(wǎng)橋，能延長一倍的通訊距離，并增加一倍的CAN-bus節(jié)點數(shù)目。通訊介質(zhì)也會影響通訊距離，選用礦用阻燃電纜作為傳輸介質(zhì)，可以在通訊速率為5 kbps時達到7 km左右的通訊距離。

2.2 響應時間

現(xiàn)場總線的響應時間主要與傳輸協(xié)議有關(guān)，協(xié)議層次越多，響應時間越慢?，F(xiàn)場總線一般有三類：第一類是Profibus、WorldFIP等，采用 IEC61158-3，31.25kBd標準，響應速度慢，用于制造業(yè)過程監(jiān)控；第二類是DeviceNet，SDS等，兼顧了模擬量變送器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳送，在低通訊速率下響應速度也很快；第三類是P-Net、LonWorks等，用于一般設(shè)備自動化，響應速度低于第二類高于第一類。根據(jù)液壓支架電控系統(tǒng)的要求，選擇第二類或第三類總線通訊方式均能滿足要求。

2.3 本安特性

由于礦井下存在易燃易爆性氣體及粉塵，在爆炸危險性等級中屬于I型的0區(qū)和1區(qū)，因此井下設(shè)備的電氣系統(tǒng)都必須采取相應的防爆措施。目前國際上采用最廣的防爆措施主要有：隔爆（Exd）、本安（Exi）和增安（Exe）等，其中本安（本質(zhì)安全）技術(shù)成本低、體積小、安全性高，是低壓電器中最常用的防爆技術(shù)。煤礦行業(yè)中的井下設(shè)備還需要滿足《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》標準（煤安標準）[2]。在選用CAN總線傳輸設(shè)備、壓力和位移傳感器、供電電源等電氣元件時要注意滿足防爆及煤安要求。

2.4 抗干擾能力

井下環(huán)境較差，電磁干擾較強，系統(tǒng)所選用的設(shè)備應具備一定的抗干擾能力，保證系統(tǒng)正常運行。

3 系統(tǒng)主要功能分析

液壓支架控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)液壓支架的動作確定的，系統(tǒng)通過支架控制器控制液壓支架完成指定動作實現(xiàn)以下功能[3]。

3.1 本架推溜功能

操作人員按動本架推溜按鈕，本支架開始進行壓力檢測，確保支架穩(wěn)定地支撐起煤層，若壓力超過設(shè)定值，則開始進行推溜動作，行程達到設(shè)定參數(shù)時推溜動作終止，也可在5 min內(nèi)手動再按動一次本架推溜按鈕手動停止推溜動作；若壓力小于設(shè)定值，則先進行升架動作，保證支架支撐力符合要求。該動作的程序流程如圖2所示。

圖2 本架推溜程序流程

3.2 相鄰單架單動功能

在液壓支架的動作中，從安全角度出發(fā)，除本架的推溜動作外，其他動作都需要由相鄰液壓支架的支架控制器發(fā)出控制信號，本架的支架控制器接收主站控制信號控制本架動作，每個支架控制器可以對左鄰架、左鄰二架、右鄰架、右鄰二架進行控制。具體流程如圖3、圖4所示。

相鄰單架單動采用點動方式，操作人員選擇好要控制的液壓支架，按動操作支架控制器上的按鈕，本機自動修改為主控模式，并將動作控制信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，松開按鈕后，本機將停止信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)。被控支架的支架控制器接收到主站動作命令后，自動將本機修改為從控模式，進行相應的單動動作，收到停止命令后，停止動作并將停止信息寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)，主站應答后，清除CAN發(fā)送緩沖區(qū)。

圖3 操作支架控制器單動流程

圖4 被控支架控制器單動流程

3.3 鄰架成組聯(lián)動控制功能

鄰架成組聯(lián)動包括成組推拉、成組推溜、成組升降等動作，是指以任意一個液壓支架為起始架，向左或向右若干個相鄰架被設(shè)定為一組，系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)動信號后，從起始架開始，液壓支架依次按照程序進行動作，直至最末端支架完成動作。操作人員可以任意指定支架組，只有給定支架組的位置和個數(shù)后，才能進行成組聯(lián)動。系統(tǒng)會自動記憶上一次成組聯(lián)動中組的參數(shù)，不需每次操作前重新輸入，需要改變組的參數(shù)時可由操作人員重新設(shè)置。從站發(fā)送和接收成組聯(lián)動命令流程如下頁圖5所示。

3.4 自動跟隨支護功能

在主控制臺可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動模式，通過對采煤機的開采姿態(tài)和位置進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)接收到的采煤機狀態(tài)信息，可以控制液壓支架自動跟隨采煤機進行采區(qū)支護，完成指定動作，實現(xiàn)綜采工作面的自動化控制，提高生產(chǎn)效率。

3.5 閉鎖及緊急停止功能

圖5 從站發(fā)送和接收成組聯(lián)動命令流程

因維修需要或其他原因而需要某個或某幾個液壓支架靜止不動時，可以對主站控制液壓支架進行閉鎖，并且左右相鄰的液壓支架也會同時閉鎖，防止誤動作。當需要解鎖時，必須在閉鎖液壓支架的支架控制器上按下解鎖按鈕才能進行解鎖操作，防止誤操作。

當發(fā)生緊急情況時，在任意支架控制器上按下緊急停車按鈕，整個工作區(qū)的液壓支架會立即停止所有動作，并且在系統(tǒng)復位前不能運行自動模式。

4 結(jié)語

液壓支架自動跟隨支護是實現(xiàn)綜采工作面自動化的重要一環(huán)。基于總線技術(shù)的液壓支架控制系統(tǒng)通過通訊手段控制液壓支架，不僅能完成多種動作，實現(xiàn)自動化控制，提高工作面的移架和支護效率，而且可以克服井下復雜環(huán)境，保證整個系統(tǒng)正常運行。