基于CAN 總線的礦用液壓支架控制系統(tǒng)的設(shè)計

高 雄

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技工學(xué)校， 山西 太原 030000）

引言

礦用液壓支架是煤礦開采設(shè)備中的核心支撐設(shè)備，保證其自動化調(diào)整及操作，提高設(shè)備的作業(yè)效率，成為當(dāng)前企業(yè)重點考慮方向[1]。當(dāng)前，液壓支架中普遍安裝了控制系統(tǒng)，但由于井下環(huán)境的惡劣性，易受外部較大干擾信號影響，導(dǎo)致部分企業(yè)采用的控制系統(tǒng)使用了國外進(jìn)口系統(tǒng)，在設(shè)備購買、維護(hù)等方面具有較高的費用。當(dāng)前的液壓支架控制系統(tǒng)中電纜暴露在井下環(huán)境中，存在線路布局復(fù)雜，線路磨損程度較大，系統(tǒng)的整體自動化、智能化程度相對較低[2]。針對此問題，有必要對液壓支架的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級設(shè)計。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成分析

礦用液壓支架是煤礦生產(chǎn)中的重要支撐設(shè)備，根據(jù)其支撐類型，可將其分為掩護(hù)式、支撐式、支撐掩護(hù)式等形式，而根據(jù)煤層的厚度，可將其分為薄煤層、中煤層、大采高支架等形式，但無論何時結(jié)構(gòu)類型，其設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成主要包括頂梁、掩護(hù)梁、立柱、連桿、底座、護(hù)幫板、推移千斤頂?shù)炔考3]，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1 所示。其中，頂梁主要負(fù)責(zé)對工作面頂板進(jìn)行支撐，保證整個工作面的安全空間；立柱則主要將頂梁的作用力傳遞至底座上，并實現(xiàn)頂梁不同高度的調(diào)節(jié)，底座則主要與工作面底板進(jìn)行接觸，并將支撐力通過立柱傳遞至頂梁上，實現(xiàn)頂梁與底座支架的作用力和反作用力的相關(guān)傳遞[4]。推移千斤頂主要負(fù)責(zé)液壓支架及刮板輸送機(jī)的前行移動。在這過程中，液壓支架的所有運(yùn)動，均需相應(yīng)的穩(wěn)定的控制系統(tǒng)進(jìn)行電氣保障，保證液壓支架電氣控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、可靠性，實現(xiàn)液壓支架智能化遠(yuǎn)程控制，成為企業(yè)提高井下作業(yè)效率、降低成本的重要考慮方向。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

以當(dāng)前礦用液壓支架控制系統(tǒng)為設(shè)計基礎(chǔ)，開展了基于CAN 總線的礦用液壓支架控制系統(tǒng)升級研究。所設(shè)計的控制系統(tǒng)主要由PRA 壓力傳感器和PR11 型位移傳感器、STM32F1 型微控器、電源控制模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、工控機(jī)、顯示器、交換器、CAN總線等組成。終端的各類傳感器首先對液壓支架作業(yè)過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時顯示，通過模擬量采集電路，將采集的信號經(jīng)過濾波和信號放大處理后，轉(zhuǎn)換為微控器能識別的電信號，在微控器中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、判斷后，將信號傳輸至工控機(jī)中進(jìn)行信號的實時顯示，當(dāng)設(shè)備處理故障問題時，該顯示界面能通過聲光報警方式進(jìn)行故障問題及故障發(fā)生位置的顯示[5]。而系統(tǒng)的元器件供電則采用了專門的電源控制電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。整個控制系統(tǒng)中，各部件之間則主要通過CAN 總線和以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊連接，井上監(jiān)控中心與順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間則通過無線和CAN 總線方式，進(jìn)行各類操作的遠(yuǎn)程控制。整個控制系統(tǒng)的現(xiàn)場布線更加簡單，控制精度更高，操作更加簡潔，更好地實現(xiàn)了液壓支架各類操作的控制要求。液壓支架控制系統(tǒng)的總體框架圖如下頁圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體框架圖

3 電控系統(tǒng)分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 CPU 微控器選型設(shè)計

CUP 微控器是整個液壓支架控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對采集數(shù)據(jù)的分析、處理、判斷等操作，其運(yùn)行性能的高效性直接影響整個控制系統(tǒng)的控制精度。為此，選用了市場上成熟的STM32F1 型微控器。該控制器采用了32 位的數(shù)據(jù)總線，72 MHz 的超大容量，配備了120 個的I/O 管腳，能滿足液壓支架整套控制系統(tǒng)的I/O 接口需求。同時，設(shè)計了16 路的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換接口，可同時接收16 種外部信號輸入及信號的運(yùn)算處理[6]。另外，控制器上配備有多個SPI 端口、異步通訊接口、CAN 總線端口等，存在空間相對較大，能同時滿足不同通訊方式對控制器信號輸入的需求，另外，控制器的靜態(tài)隨機(jī)存儲量也達(dá)到了64 kB。該CPU 微控器性能穩(wěn)定可靠，其價格便宜，具有較高的數(shù)據(jù)接收及信號處理能力，已在煤礦領(lǐng)域的多種設(shè)備上進(jìn)行了成功應(yīng)用，能完全滿足液壓支架控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)分析處理需求。

3.2 電源控制電路設(shè)計

液壓支架控制系統(tǒng)中，多個元器件采用了不同大小的電壓值，包括了3.3 V、5 V、12 V 等電壓平臺，而外部的電源模塊輸入的電壓平臺為24 V，無法直接用于該些元器件，為此，對電源控制電路進(jìn)行了設(shè)計。在電源控制電路中，安裝了EC1 極性電容和C5電容，主要負(fù)責(zé)對輸入的電壓進(jìn)行濾波處理和高通濾波，經(jīng)過處理后，再將電源值輸入至電源模塊中。其中，該控制電路中，采用了XZR05 型電源轉(zhuǎn)換模塊其額定功率為6 W，能快速將高電壓值轉(zhuǎn)換為所需的5 V 電壓，具有防金屬屏蔽及高抗干擾性，針對電路中出現(xiàn)的過溫、過流等情況時，能實現(xiàn)較好的電流保護(hù)。另外，針對DC5V 轉(zhuǎn)3.3 V 問題，則采用了LM1085 型直流轉(zhuǎn)換模塊，通過設(shè)計的220μF 電容及極性電容，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換信號的濾波作用。整個電源控制電路原理圖如圖3 所示。

3.3 模擬量采集電路設(shè)計

圖3 電源控制電路原理圖

為實現(xiàn)對液壓支架工作過程的頂板壓力及千斤頂位移模擬量信號的檢測，選用了PRA 壓力傳感器和PR11 型位移傳感器。此兩種傳感器的工作電壓為DC5V，可直接運(yùn)用前文的電源控制電路。而傳感器檢測到的信號則需通過專門的模擬量采集電路進(jìn)行處理，輸出微處理器能識別的電信號。在此模擬量采集電路設(shè)計中，采用了LM358 的運(yùn)算放大器和多個電容元件，檢測信號通過電路的左端輸入，經(jīng)過電容的濾波及模擬量信號放大，實現(xiàn)檢測信號的放大處理。同時，設(shè)計了人76 電阻和R172 電阻，可將放大后的電壓信號進(jìn)行分壓，實現(xiàn)信號在可識別范圍內(nèi)的分壓轉(zhuǎn)換。整個模擬量采集電路的原理圖如圖4 所示。

圖4 模擬量采集電路原理圖

4 應(yīng)用效果評價

在完成液壓支架控制系統(tǒng)的設(shè)計后，將此控制系統(tǒng)安裝在液壓支架設(shè)備中，進(jìn)行了實際的運(yùn)行測試。主要準(zhǔn)備1 臺液壓支架、交換機(jī)、工況機(jī)、顯示器、上機(jī)位、微控器、CAN 總線、以太網(wǎng)連接線等，各部件之間通過CAN 總線進(jìn)行通訊連接。在測試過程中，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能穩(wěn)定實現(xiàn)液壓支架高度調(diào)節(jié)、前后移動、急停閉鎖等功能操作，針對液壓支架使用中出現(xiàn)的壓力過大、移動距離不準(zhǔn)等問題，該控制系統(tǒng)能及時發(fā)出相應(yīng)的聲光報警，并通過顯示器進(jìn)行故障類型及故障發(fā)生位置的實時顯示。同時，控制中心可通過遠(yuǎn)程控制方式，將上機(jī)位的控制命令通過CAN 總線傳遞至執(zhí)行單元，實現(xiàn)了液壓支架的遠(yuǎn)程控制。在該控制系統(tǒng)運(yùn)行4 個月期間，液壓支架的故障發(fā)生率同比降低了70%，維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度也大大降低，得到了現(xiàn)場操作者的一致好評，為企業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。