礦用液壓支架控制器設(shè)計(jì)

張志宏

(山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司 晉東南分公司， 山西 長治 046600)

0 引言

液壓支架是煤礦井下生產(chǎn)中的重要設(shè)備，用于控制液壓支架動(dòng)作的電控系統(tǒng)是其重要部件。通過液壓支架電控系統(tǒng)的控制，既能實(shí)現(xiàn)液壓支架各個(gè)動(dòng)作的自動(dòng)化操作，包括：單臺(tái)支架的動(dòng)作、單臺(tái)支架按照指定的順序聯(lián)合動(dòng)作、幾個(gè)支架組成一個(gè)小組成組集體動(dòng)作,還能通過預(yù)設(shè)的通信總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。液壓支架控制器的使用不僅能提高礦井的生產(chǎn)效率，還能大量減少工作面工人的數(shù)量，提高礦井生產(chǎn)的可靠性和安全性。目前我國煤礦井下使用的液壓支架電控系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，雖然國內(nèi)也有少許同類型產(chǎn)品，但是在穩(wěn)定性和安全性方面都無法達(dá)到要求。進(jìn)口產(chǎn)品的缺點(diǎn)是成本高、與國產(chǎn)設(shè)備兼容性差、維修周期長等[1]。因此,研發(fā)一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓支架控制系統(tǒng),對(duì)于降低礦井生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)無人化綜采工作面以及礦井生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的一種液壓支架控制器具有體積小、自動(dòng)化程度高、功能齊全和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，通過井下工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)證明，該控制器完全符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

1 液壓支架電控系統(tǒng)整體架構(gòu)

綜采工作面液壓支架數(shù)量眾多，根據(jù)工作面長度，液壓支架數(shù)量一般在100～200臺(tái)左右。通過查閱資料和借鑒現(xiàn)場的工作經(jīng)驗(yàn)可知，一般1臺(tái)控制器控制3臺(tái)液壓支架比較合理,并要求相鄰的液壓支架控制器之間能互相控制。

圖1所示為液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖,整個(gè)液壓支架控制系統(tǒng)可分為3層。

1)最底層是液壓支架控制器，其主要作用是收集并上傳傳感器的各種信號(hào)，控制液壓支架上的各種閥門，實(shí)現(xiàn)液壓支架動(dòng)作。所有的液壓支架控制器作為節(jié)點(diǎn)掛接在由端頭控制器引出的兩條CAN總線上,如果某個(gè)控制器發(fā)送故障，端頭控制器會(huì)自動(dòng)識(shí)別并報(bào)警。

2)處在中間層的是液壓支架端頭控制器，其主要功能是將最底層液壓支架控制器收集到的傳感器信號(hào)上傳給地面的監(jiān)控站，下發(fā)控制命令等。

3)最上層是地面監(jiān)控室，可以在組態(tài)界面里看到液壓支架各種實(shí)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，還可以遠(yuǎn)程操控液壓支架的動(dòng)作。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)的供電采用井下現(xiàn)有的AC127V電源，通過電源箱的整流濾波后，變?yōu)榭刂破髂軌蚴褂玫闹绷鞯碗妷弘娫碵2]。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 液壓支架控制器結(jié)構(gòu)

圖2所示為液壓支架控制器硬件總體架構(gòu)。

圖2 液壓支架控制器硬件架構(gòu)圖

整個(gè)液壓支架控制器硬件由以下幾個(gè)模塊組成。

1)人際交互模塊。包括鍵盤、顯示屏。鍵盤用于參數(shù)的輸入和界面控制，顯示屏顯示各種傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及液壓支架動(dòng)作狀況。

2)聲光報(bào)警模塊。當(dāng)有故障發(fā)生,提示工作人員故障位置和故障種類，便于及時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，避免造成更大的事故。

3)最小系統(tǒng)模塊。主要包括時(shí)鐘電路、電源、下載接口等。

4)通信模塊。主要是CAN通信,具有傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。

5)傳感器模塊。包括壓力傳感器、紅外傳感器、位移傳感器等,壓力傳感器主要用來監(jiān)控液壓腔內(nèi)的壓力，位移傳感器監(jiān)測液壓支架動(dòng)作位移的大小，紅外傳感器主要用來監(jiān)測采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置，便于分析液壓支架下一步的動(dòng)作[3]。

2.2 主控制器CPU選型

由于工作面空間有限而液壓支架控制器使用數(shù)量多，故不便使用以PLC為主控制器的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)使用了以單片機(jī)為主控制器的硬件電路設(shè)計(jì)方案[4]。

STM32F103ZET6微控制器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM架構(gòu)的一款32位處理器芯片,主頻為72 MHz，供電電壓為3.3 V。表1所示為CPU主要硬件資源。

表1 CPU內(nèi)部主要硬件資源

2.3 CAN通信硬件電路

圖3所示為CAN通信硬件電路圖。該系統(tǒng)使用的TJA1050T型CAN收發(fā)芯片具有較高性能和集成度，該芯片在系統(tǒng)中的主要作用是通信協(xié)議的控制和物理總線接口，具有較強(qiáng)的差動(dòng)收發(fā)能力，適合遠(yuǎn)距離信號(hào)的傳輸。由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，各種干擾時(shí)有發(fā)生，為了保障CAN總線能夠穩(wěn)定地進(jìn)行信號(hào)傳輸，系統(tǒng)加入了光電耦合模塊來消除干擾，在模塊兩端采用不同的接地方式，能有效地防止共模信號(hào)的干擾。在信號(hào)的出口處加入了鉗位電路，以防線路上突然的電壓變壓對(duì)芯片造成的損害。

C1和C2電容能有效地吸收通信線路上的高次諧波，保障通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[5-6]。

圖3 CAN通信硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單架單動(dòng)作軟件設(shè)計(jì)

圖4所示為單臺(tái)液壓支架動(dòng)作控制流程。設(shè)計(jì)中預(yù)設(shè)由1臺(tái)液壓支架控制器控制附近的3臺(tái)液壓支架。首先端頭控制器選擇要操控的液壓支架號(hào)，選定以后程序進(jìn)入主控模式。通過CAN總線將信號(hào)下發(fā)到相應(yīng)的液壓支架控制器?？刂破鹘邮盏娇刂泼詈?，對(duì)命令進(jìn)行翻譯，即通過對(duì)比地址來確定具體的控制對(duì)象，控制對(duì)象確定后，進(jìn)入相應(yīng)的控制模式并開始執(zhí)行動(dòng)作,接收到停止命令后停止。隨后將相應(yīng)寄存器的值清0，以便為下一次的信號(hào)接收做好準(zhǔn)備,如果沒有接收到控制命令，液壓支架控制器便一直處于空閑模式。

圖4 單架單動(dòng)作程序流程圖

3.2 液壓支架成組動(dòng)作軟件設(shè)計(jì)

成組動(dòng)作由每一臺(tái)液壓支架順序聯(lián)動(dòng)組成，同時(shí)需要考慮相鄰液壓支架之間位置的關(guān)系，要達(dá)到動(dòng)作之間的相互配合。

圖5所示為液壓支架成組動(dòng)作流程圖。支架聯(lián)動(dòng)時(shí),首先要確定動(dòng)作起始和結(jié)束的支架號(hào)碼,根據(jù)聯(lián)動(dòng)支架的數(shù)據(jù)計(jì)算出大概的動(dòng)作時(shí)間。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有完成動(dòng)作就要發(fā)出聲光報(bào)警信息。成組聯(lián)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行可能會(huì)同時(shí)涉及多個(gè)液壓支架，根據(jù)傳感器的信息,時(shí)刻判斷各個(gè)液壓支架的實(shí)時(shí)位置，便于程序作出動(dòng)作的調(diào)整。當(dāng)進(jìn)入主控模式后，按下成組動(dòng)作按鍵，通過液壓支架控制器之間的CAN通信總線來傳遞控制信息。動(dòng)作結(jié)束后,程序會(huì)立即清除寄存器內(nèi)的信息，便于接收下一次的控制命令?？刂仆瓿珊笞詣?dòng)進(jìn)入到空閑模式。

圖5 液壓支架控制器成組動(dòng)作流程圖

3.3 CAN通信程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中CAN總線上傳遞的信息主要包括兩種類型：控制命令的傳遞、液壓支架實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳遞?？刂泼畎刂破髋c控制器之間、端頭控制器與液壓支架控制器之間等;數(shù)據(jù)的傳遞包括傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、液壓支架動(dòng)作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

圖6所示為CAN通信總線節(jié)點(diǎn)初始化流程。首先設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，然后通過時(shí)鐘的分頻計(jì)數(shù)器設(shè)置通信的速率，即波特率。接著設(shè)置總線定時(shí)寄存器，用于信號(hào)接收的時(shí)間計(jì)算。最后設(shè)置輸入輸出接口的控制寄存器，打開中斷進(jìn)入到正常的運(yùn)行模式。

圖6 CAN總線節(jié)點(diǎn)初始化流程圖

4 結(jié)論

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一套液壓支架控制器，通過井下工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)表明,該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定功能可靠，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求，為礦井下同類型的控制器設(shè)計(jì)提供了思路。