薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)研發(fā)*

趙 峰

(西山煤電集團有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭資源是我國的主要能源，煤炭開采過程中，常常出現(xiàn)采厚棄薄的情況，薄煤層未得到有效開采，會造成大量煤炭資源浪費，在進行薄煤層開采中，由于工作面安全空間小，行人困難，操作不便，勞動強度較大，所以開采薄煤層成本高，隨著薄煤層開采技術(shù)水平的不斷提高，薄煤層開采是大勢所趨[1]，保證薄煤層開采安全成為首要目標(biāo)。薄煤層液壓支架作為綜采工作面重要的機械設(shè)備，其性能優(yōu)劣是影響開采安全的關(guān)鍵因素，所以提升薄煤層液壓支架的工作性能和工作效率十分必要[2]。筆者結(jié)合自動化技術(shù)的控制思路，設(shè)計了ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)，為薄煤層開采設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計及安全開采提供一定的參考。

1 液壓支架控制系統(tǒng)設(shè)計方案

液壓支架是綜采工作面三大主要采煤設(shè)備之一,而液壓支架電控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響采煤效率。液壓支架在采煤過程中承擔(dān)著支撐頂板的作用，為刮板輸送機、采煤機及工作人員提供必要的安全空間。在進行薄煤層液壓支架設(shè)計時，首先需要考慮支架的穩(wěn)定性及空間性。液壓支架電控系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以有效提高支架的支護質(zhì)量,而且能夠有效縮短支架運移支護耗時，對于提升礦井的生產(chǎn)效率具有重要的意義。傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)自動化程度低，信息傳輸數(shù)據(jù)慢，無法滿足智能化操作要求，所設(shè)計的ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)總體目標(biāo)是基于環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸，實現(xiàn)無人化、智能化目的，解決控制精度低、聯(lián)動性差、動作滯后等問題。液壓控制系統(tǒng)主要由支架控制器、防爆計算機、各類傳感器及電磁先導(dǎo)閥等設(shè)備組成，電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。井下防爆計算機與地面計算機共同組成控制系統(tǒng)的上機位部分，通過環(huán)網(wǎng)進行井上井下的信息互換，監(jiān)控系統(tǒng)及上位機軟件采用Client/Server結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過檢測液壓支架立柱的壓力信息進行礦壓趨勢的分析，從而實現(xiàn)空頂、礦壓監(jiān)測及通訊線路故障預(yù)警等，順槽監(jiān)控系統(tǒng)與地下監(jiān)控系統(tǒng)采用SQLwerver和powerBuilder數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)，兩個監(jiān)控系統(tǒng)可以共享數(shù)據(jù)，有效保證運行安全。井下順槽計算機集成工作面所有數(shù)據(jù)，可以任意顯示一臺液壓支架的參數(shù)，同時通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至地面主機。液壓支架控制器作為控制系統(tǒng)的下位機，其直接作用于液壓支架，支架控制器能夠?qū)崿F(xiàn)人工及自動兩種操作模式，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收端，將采集到的數(shù)據(jù)進行整合傳輸至上位機，控制器包含位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、傾角傳感器等，眾多元件共同組成液壓支架電液控制系統(tǒng)[3]。

圖1 電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

2 控制器選型及工作原理

2.1 功能設(shè)計

對支架控制器進行硬件選擇，根據(jù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障報警、數(shù)據(jù)儲存等功能，選定STM32 F407ZGT6中央處理器，其具有結(jié)構(gòu)體積小，處理能力強、能耗低等優(yōu)點，對單片機進行選型，首先需要滿足基本功能，文中選擇型號為STM32F407ZGT6單片機，其具有較多的I/O接口，采用32為內(nèi)核處理器，168 Hz運行頻率，具備低能耗高處理的要求。同時其具備存儲能力強、信息采集能力強、外設(shè)資源豐富等優(yōu)點，充分滿足性能需求。對單機片的最小系統(tǒng)單元硬件進行選型，最小系統(tǒng)中包括了復(fù)位電路、供電電路、下載電路等，供電電路根據(jù)電路模塊的工作電壓情況選定為3.3 V、5 V和12 V；復(fù)位電路采用RC低電平復(fù)位電路；下載電路的下載接口分為20針、10針JTAG接口和SWD接口。

2.2 硬件選型

對控制系統(tǒng)基本功能單元硬件進行設(shè)計，主要包括LCD顯示電路、聲光報警電路、閉鎖電路等，首先LCD電路采用STN型LCD12864點陣式顯示模塊，其尺寸為90 mm×70 mm×12.5 mm，LCD12864顯示模塊的正常工作電壓為4.5～5.5 V，正常工作溫度要求較低，能夠較好的滿足礦井生產(chǎn)要求，聲光報警電路在系統(tǒng)遇到緊急情況或者故障時，及時進行報警提醒，當(dāng)支架處于待機狀態(tài)時，系統(tǒng)所有指示燈不亮，當(dāng)人工進行操作時，此時系統(tǒng)指示燈為綠色，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障指示燈立刻呈現(xiàn)紅色并報警，此時系統(tǒng)會在顯示模塊呈現(xiàn)急停、閉鎖的信號。所設(shè)計的聲光報警電路選擇蜂鳴器和工作電壓12 V的指示燈，通過三極管實現(xiàn)對指示燈及蜂鳴器的控制[4]。聲光報警電路示意圖如圖2所示。

圖2 聲光報警電路示意圖

從圖2可以看出，在電路中RED連接單片機，當(dāng)GPIO口為高電平時，此時RED+與RED-間的紅色報警燈會亮，而同樣的綠色指示燈與共色指示燈的工作原理相同，通過采用三極管作為開關(guān)元件，有效保證故障報警的響應(yīng)速度，同時通過多次的試驗驗證了設(shè)計的電路系統(tǒng)可行性與可靠性。

對系統(tǒng)的通訊單元進行設(shè)計，首先對CAN通信電路進行設(shè)計，控制器是CAN通訊總線的節(jié)點，節(jié)點采用物理層器件，STM32F407ZGT6單片機共有2路CAN控制器，文中的CAN通訊節(jié)點包括隔離電路、防沖擊保護電路、收發(fā)器。其中隔離電路采用光耦合器6N137，較好的實現(xiàn)輸出輸入的分離，防沖擊保護電路通過二極管、限流電阻及濾波電容組成，避免元件發(fā)生過載沖擊破壞，接收器選用PCA82C250芯片，其具備很強的抗干擾能力且通訊速率可以達到1Mbps。鄰架電路是指相鄰支架間的電路，其通過RS485線路進行連接，由于礦井環(huán)境較為惡劣，所以鄰架通信電路需要具有很強的防丟失能力，鄰架電路由隔離電路、防高壓侵入電路、失效保護電路、MAX485收發(fā)芯片組成，保證穩(wěn)定運行。

驅(qū)動單元的設(shè)計是對電磁先導(dǎo)閥的驅(qū)動參數(shù)進行設(shè)計，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電磁先導(dǎo)閥的工作電壓為5～12 V，根據(jù)單機片特點及驅(qū)動要求設(shè)計驅(qū)動單元，驅(qū)動單元流程圖如圖3所示。

從圖3可以看出，單機片的I/O口為高電平，所以在配置輸出模式時需要與執(zhí)行單元進行對應(yīng)，單機片將電平信號傳輸至限流濾波保護裝置后分為高電平和低電平兩種信號輸入開關(guān)單元，襯板電路是用于提供系統(tǒng)的工作電壓12 V，通過MOSFET的輸出特征控制電磁閥[5]。

圖3 驅(qū)動單元流程圖

數(shù)據(jù)采集單元是整電液控制的核心單元，其主要負責(zé)采集電壓、位移等參數(shù)的采集，通過與紅外線傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等進行連接，檢測液壓支架的立柱壓力機推溜行程等數(shù)據(jù)，采集模塊的流程圖如圖4所示。

圖4 采集模塊的流程圖

首先傳感器對液壓支架的運動參數(shù)及工作參數(shù)進行采集，將采集到的信號通過電路進行傳輸，為了保證信號的完整性，避免出現(xiàn)信號丟失等問題，在系統(tǒng)中加入信號保護電路，信號傳輸至轉(zhuǎn)換及處理模塊式會進行及時的處理及反饋，并將處理的結(jié)果及分析展示于顯示模塊。

3 應(yīng)用效果

對設(shè)計的ZY3200/08/18型液壓支架電液控制系統(tǒng)進行應(yīng)用試驗，支架控制器通過網(wǎng)絡(luò)連接為整體，當(dāng)按下任意急停按鈕，工作面的支架控制器將會立刻響應(yīng)紅燈，進入鎖定狀態(tài)，可以較好的解決工作面突發(fā)故障，故障報警試驗如圖5所示。同時系統(tǒng)受電壓波動影響程度較小，能夠滿足井下開采要求，同時鄰架通訊、總線通訊、遠程控制、故障分析等功能均能滿足正常工作需求，設(shè)計的液壓控制系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性強，滿足自動化生產(chǎn)的總體要求。

圖5 故障報警試驗圖

4 結(jié) 語

針對薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計方案，首先給出了電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，對薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)核心部件支架控制器進行分析，基于功能需求，分別確定了最小系統(tǒng) 單元、通信單元、基本功能單元、驅(qū)動單元及采集單元硬件選型，通過應(yīng)用，效果良好，改進了傳統(tǒng)電液控制系統(tǒng)自動化程度低，信息傳輸數(shù)據(jù)慢，無法滿足智能化操作要求的現(xiàn)狀，所設(shè)計的ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)達到了無人化、智能化的應(yīng)用目標(biāo)，為薄煤層開采液壓支架控制系統(tǒng)進一步優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。