基于單片機(jī)的礦井液壓支架控制器設(shè)計(jì)

郇郭建

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100)

1 前言

目前我國礦井綜采大型機(jī)械設(shè)備基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國有化，工作穩(wěn)定性以及各方面性能基本滿足需求。但是在礦井電液控制領(lǐng)域我國目前現(xiàn)有的技術(shù)還處于起步階段，沒有一款國內(nèi)產(chǎn)品在礦井中大規(guī)模使用，主要依賴進(jìn)口。由于進(jìn)口產(chǎn)品存在價(jià)格高、維修不方便和其他同類型產(chǎn)品兼容性差等特點(diǎn)，所以研發(fā)一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的能夠應(yīng)用于煤礦井下的電液控制系統(tǒng)就顯的很有必要。

本文結(jié)合目前我國煤礦的實(shí)際需求以及國家提出的無人綜采工作面總體戰(zhàn)略，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套能夠應(yīng)用于國內(nèi)大中型煤礦使用的液壓支架電液控制裝置。設(shè)計(jì)優(yōu)化了硬件電路和軟件流程，具有一定的自動化控制能力，為礦井其他同類型設(shè)備的研發(fā)提供了思路[1]。

2 液壓支架控制器的總體方案設(shè)計(jì)

液壓支架控制器處于整個控制系統(tǒng)的最底層，但并不代表它不重要，恰恰相反，它是整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)控制功能的執(zhí)行、傳感器信號的采集等任務(wù)。本系統(tǒng)采用了RS- 485總線作為主要的通訊線路，控制器內(nèi)部又分為接口電路和主控電路。接口電路主要的功能是信息顯示、信息輸入等。主控電路主要負(fù)責(zé)信號采集以及動作命令的執(zhí)行等。另外主控電路通過兩路RS- 485總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，兩路總線分別用來傳輸控制命令和傳感器數(shù)據(jù)。每臺液壓支架控制器之間的通訊是通過接口電路中的RS- 485通訊總線來實(shí)現(xiàn)的，每臺液壓支架控制器可以認(rèn)為是RS- 485通訊總線上的一個節(jié)點(diǎn)，它們都是掛接在端頭控制器的主通訊電路上的。液壓支架控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 控制器硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為液壓支架控制器硬件總體結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出支架控制器硬件電路由兩部分組成，分別是主控制電路和接口電路。每部分根據(jù)功能采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。兩部分電路之間通過SPI總線進(jìn)行通訊。接口電路由于其主要功能是人機(jī)交互以及信息的輸入輸出，所以電路中主要包括LCD和鍵盤等電路。而主控電路主要功能是收集傳感器信號，并將信號上傳，主要包括通訊電路等[2]。

這兩部分的供電電源都是DC12V，在控制板內(nèi)部經(jīng)過穩(wěn)壓電路的轉(zhuǎn)化最終轉(zhuǎn)變?yōu)镈C5V和DC3.3V用于芯片的供電。

圖2 支架控制器硬件總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 CPU選型

本系統(tǒng)CPU選用了美國Cygnal公司生產(chǎn)的C805F系列微控制器，其型號為C8051F020，是一款16位芯片，主頻為25MHz。其主要特點(diǎn)是具有豐富的模擬量和數(shù)字量外設(shè)，具有優(yōu)秀的混合信號處理能力。其內(nèi)部硬件資源見表1。

表1 C8051F020內(nèi)部硬件主要資源

3.2 模擬量信號采集電路

本系統(tǒng)中需要采集的模擬量包括液壓支架千斤頂?shù)奈灰屏亢兔簩禹敯宓膲毫χ?。由于目前市面上所使用的模擬量傳感器輸出信號大多是4～20mA的電流信號或者是1～5V的電壓信號。而本控制器所使用的CPU輸入電壓等級為0～3.3V。因此需要將采集到的信號經(jīng)過特殊的電路調(diào)整后轉(zhuǎn)變?yōu)镃PU可以直接識別的信號再輸入到CPU的相應(yīng)管腳[3]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模擬量信號調(diào)整電路如圖3所示。

圖3 模擬量信號調(diào)理電路

如圖3所示，總電路按功能分為四部分。從左向右首先是信號放大電路部分，其主要功能是將傳感器輸入的模擬量信號進(jìn)行電流的放大，其中R13是限流電阻，R14將運(yùn)放的負(fù)極和地連接起來，R23用于放大器的調(diào)零。一般情況下，由于傳感器信號強(qiáng)度小，所以通過信號放大電路將傳感器信號放大便于后續(xù)電路的處理。第二部分是電壓調(diào)整電路，通過電路的分壓調(diào)理能夠?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。第三部分是電壓跟隨電路，主要作用是抑制電路中的電壓波動，通過由R21組成的反饋電路使輸出端的電壓波動盡可能的小。第四部分是鉗位電路，其主要作用是鉗位出口電路電壓的范圍，防止電壓過高或者是過低造成CPU損壞。

3.3 急停閉鎖電路

圖4所示為急停閉鎖電路原理圖，其中按鍵K1為急停按鈕，K2按鍵為閉鎖按鈕。急停按鈕的功能是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)故障時可以通過急停按鈕立即停止工作面液壓支架的動作，這是優(yōu)先級最高的操作。閉鎖按鈕的主要功能是當(dāng)工人對設(shè)備進(jìn)維修時按下閉鎖按鈕可以方式設(shè)備的誤動作，能夠有效的保護(hù)維修工人的生命安全。具體的電路工作原理是當(dāng)按鍵沒有按下時，管腳輸入為高電平，此時不能夠觸發(fā)CPU的外部中斷；當(dāng)按鍵按下時，相應(yīng)的管腳被拉低，此時會立即觸發(fā)CPU的外部中斷。U3芯片為施密特觸發(fā)器，其主要功能是對按鍵消除抖動。當(dāng)有急停被觸發(fā)時在LCD顯示屏上會顯示觸發(fā)急停的位置，便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)處理[4]。

3.4 通訊電路設(shè)計(jì)

RS- 485通訊是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所有的數(shù)據(jù)以及控制命令都是通過該總線進(jìn)行傳遞的。

圖4 急停閉鎖電路原理圖

使用的通訊芯片為Maxim公司生產(chǎn)的RS- 485收發(fā)芯片，型號為MAX485。這是一款能夠同時適用于RS- 485和RS- 422兩種通訊方式的功耗比較低的收發(fā)芯片，其支持的最高通信速率能夠達(dá)到2.5Mbps。

圖5所示為本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的RS- 485通訊電路原理圖，從圖中可以看出整個電路按功能可以劃分為4個部分。自左向右依次是信號整形電路部分，其作用是通過施密特觸發(fā)器將信號中的波動去掉，能夠保證信號的準(zhǔn)確性。第二部分是光耦隔離電路，由于井下的工作環(huán)境比較復(fù)雜，各種干擾層出不窮。為了保障通訊的穩(wěn)定性在電路中加入了防干擾措施，通過光耦隔離模塊能夠有效的抵御電磁干擾。第三部分是失效保護(hù)電路，其作用是保障通訊線路的阻抗匹配，防止通信失效。第四部分是過壓保護(hù)電路，由于干擾的存在通訊電路中可能存在瞬時高壓，利用過壓保護(hù)電路能夠有效的保護(hù)CPU芯片，保障整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[5-6]。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

4.1 接口電路主程序

圖6所示為電路主程序，從圖中可以看出當(dāng)系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行整個系統(tǒng)的初始化，這其中包括時鐘初始化、端口初始化、中斷配置初始化以及各種通訊模塊的初始化等。初始化完畢后打開中斷等待中斷的發(fā)生。如果急停中斷被觸發(fā)則進(jìn)入急停處理子程序然后清除中斷標(biāo)志位，如果沒有則判斷閉鎖中斷是否觸發(fā)。如果兩者都沒有則對鍵盤輸入進(jìn)行掃描查看是否有數(shù)據(jù)或者是操作命令的輸入，然后是綜合判斷，這樣依次循環(huán)。

圖5 RS- 485通訊電路原理圖

圖6 接口電路主程序

4.2 急停閉鎖子程序

圖7所示為支架急停流程，當(dāng)有急停中斷時首先在LCD顯示屏上顯示出此時的急停狀態(tài)，便于工作人員迅速查看。然后是立即向被觸發(fā)急停位置的液壓直接發(fā)出停機(jī)命令控制停機(jī)。當(dāng)本支架停止后一次向相鄰的液壓支架發(fā)出停機(jī)命令直到整個工作面的液壓支架動作全部停止。此時會循環(huán)判斷急停標(biāo)志是否減除，如果沒有則繼續(xù)查詢知道停止命令減除后立即將其顯示到人際界面上。然后依次向本支架和相鄰的液壓直接發(fā)送減除停止的命令，直到所有的液壓支架恢復(fù)動作為止。這個過程中的全部指令都是通過RS- 485總線進(jìn)行傳遞的。故障的排除后需要將所有控制器上的急停按鈕恢復(fù)才能完全減除。

圖7 支架急停流程圖

5 結(jié)論

本論文在設(shè)計(jì)的液壓支架控制器通過工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用取得了良好的效果，控制功能科學(xué)合理，運(yùn)行穩(wěn)定性高。完全能夠滿足礦井生產(chǎn)的需要，為井下同類型控制器的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。