煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)研究

左勝輝

(西山煤電集團有限公司 東曲礦多經(jīng)公司更新廠，山西 古交 030200)

0 引言

隨著計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，對煤炭開采自動化技術(shù)的研究逐漸得到行業(yè)專家的重視。液壓支架作為煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，提高其電液控制系統(tǒng)的機械化與自動化技術(shù)水平對煤礦的生產(chǎn)效率與工人的人身安全有著重要意義。

目前國內(nèi)已有的液壓支架電液控制系統(tǒng)產(chǎn)品起步較晚，僅有少部分產(chǎn)品在國內(nèi)煤礦投入使用，大部分控制器仍依賴國外進口，國外產(chǎn)品存在通訊協(xié)議保密、供貨較慢等問題。為打破國外壟斷，研發(fā)出控制性能好、可靠性高的國產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 電液控制系統(tǒng)分析

液壓支架電液控制系統(tǒng)是基于多種先進技術(shù)實現(xiàn)的新一代控制系統(tǒng)，包括自動化技術(shù)、軟件技術(shù)、通訊技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)等。該系統(tǒng)可實時對采煤設(shè)備和液壓支架進行參數(shù)監(jiān)測與在線控制，進一步提高采煤工作的安全性與效率。

1.1 系統(tǒng)組成

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由電源箱、計算機、網(wǎng)絡(luò)變換器、支架控制器、傳感器、采煤設(shè)備位置信息接收機、隔離耦合器、電纜、電液閥組等多個部分組成。支架控制器是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，控制器得到控制信號后執(zhí)行程序，從而使支架中的部件上升或下降。支架的自動控制過程依賴于各傳感器傳輸?shù)牟擅涸O(shè)備位置及支架狀態(tài)等信息。

1.2 工作原理

整個電液控制系統(tǒng)由電控與液壓兩部分組成。電控部分是一種多級控制系統(tǒng)，每級都可實現(xiàn)相應(yīng)的功能，因此由多個層級構(gòu)成的系統(tǒng)具備多個功能與良好的可擴展性，隨著層級的增加，其功能也更為強大。液壓部分則指電液閥組，閥組中采用主動換向閥取代了傳統(tǒng)的手控閥，且可通過電磁先導閥對換向閥進行控制。因此，電液控制系統(tǒng)可利用電磁先導閥實現(xiàn)對液壓部分的控制。

支架控制器通過電纜連接成整體通信網(wǎng)，系統(tǒng)利用CAN總線通信技術(shù)實現(xiàn)采煤數(shù)據(jù)的傳輸。監(jiān)控計算機可接收并儲存?zhèn)鞲衅鞑杉牟擅涸O(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)支架的實時狀態(tài)監(jiān)測，并發(fā)出控制信號調(diào)節(jié)支架工況。圖1為電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本文所設(shè)計的電控系統(tǒng)分為三個層級，分別為主機監(jiān)控、端頭控制及支架控制。

主機可對采煤設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)進行實時監(jiān)控，工作人員在地面即可掌握設(shè)備的運行工況，節(jié)約了工作量的同時也保證了人身安全。主機的存儲數(shù)據(jù)功能可方便工人查看異常信息。

端頭控制作為中間層級，將主機與支架控制器連接起來。端頭控制部分接收到支架控制器中傳感器采集的信息后，進行處理并上傳到主機；同時其也可將主機發(fā)出的控制信號傳輸?shù)街Ъ芸刂破?，實現(xiàn)對液壓支架的自動控制。

支架控制是整個電控系統(tǒng)的核心，既可用于控制液壓支架的動作，也可將傳感器采集的信號傳輸至端頭控制部分和主機。本文設(shè)計的支架控制器采用芯片C8051F020，每個控制器包括兩個芯片，電路中包括I2C鍵盤、LCD顯示、閉鎖急停、RS485通訊、驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲等功能。支架控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 支架控制系統(tǒng)原理圖

2.2 硬件設(shè)計

支架控制器的硬件電路主要包括控制電路和IO電路，每個電路的控制芯片均采用C8051F020型單片機?？刂齐娐返闹饕δ苁遣杉O(shè)備數(shù)據(jù)并根據(jù)控制信號執(zhí)行動作指令，IO電路的主要作用是實現(xiàn)人機交互，工作人員可通過IO電路輸出控制信號或查看設(shè)備的實時狀態(tài)信息，控制電路與IO電路通過SPI通訊網(wǎng)絡(luò)連接，兩個電路的多個模塊構(gòu)成了支架的電控系統(tǒng)。本文所設(shè)計的硬件電路采用模塊化設(shè)計，兩個電路包括的主要模塊如表1所示。

表1 硬件電路主要模塊

本文所設(shè)計電控系統(tǒng)利用12 V直流電源為支架控制器供電，電源模塊可將12 V轉(zhuǎn)換為5 V或3.3 V等合適的電壓維持芯片或各模塊的正常工作。

2.3 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計決定了控制效果的好壞。本節(jié)基于上一小節(jié)的功能模塊設(shè)計了電控系統(tǒng)的控制邏輯，以保證控制器的控制性能和實用性。IO電路程序采用匯編語言進行編寫。而控制電路采用C語言進行編程。

IO電路的程序流程如圖3所示，程序開始首先進行初始化，從而對芯片引腳和存儲空間等資源進行優(yōu)化分配，隨后進入主程序，主要包括對急停和閉鎖的標志位進行判斷、鍵盤掃描和綜合判斷等。控制器正常運行時會進行鍵盤掃描，以判斷是否有控制信號輸入。當工作人員輸入特定的控制指令時，鍵盤掃描會將對應(yīng)指令代碼存入寄存器，隨后進行綜合判斷，判斷后通過SPI通訊將相應(yīng)的控制指令發(fā)送到控制電路，進入下一個初始化循環(huán)狀態(tài)。當給工作人員發(fā)出急?；蜷]鎖指令時，程序會進入急停或閉鎖子程序，子程序執(zhí)行結(jié)束時會對急?；蜷]鎖的標志位進行判斷，進入等待循環(huán)狀態(tài)，直到工作人員發(fā)出解除指令，程序結(jié)束等待循環(huán)狀態(tài)進入主程序。

圖3 IO電路程序流程圖

控制電路程序的主要功能包括進行多種控制方式的轉(zhuǎn)換、得到IO電路的控制信號進行動作執(zhí)行等。其主要控制方式包括就地手動控制、遠程控制及集中控制。就地手動控制即在支架控制器上進行直接操作；遠程控制指通過主機或端頭進行操控；集中控制指通過對采煤設(shè)備、支架狀態(tài)等信息進行實時監(jiān)控，將這些信息反饋到主機軟件，實現(xiàn)對液壓支架的自動控制。當遠程或自動控制出現(xiàn)問題時，可通過手動控制方式及時糾正錯誤。程序控制邏輯中應(yīng)設(shè)置就地手動控制方式為最高優(yōu)先級，以保證液壓支架電控系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)束語

液壓支架是礦井采煤工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其電液控制系統(tǒng)對礦井的生產(chǎn)效率與工人人身安全具有重要意義。為打破國外壟斷和提高控制性能，本文對液壓支架電控系統(tǒng)進行了詳細分析，并對該系統(tǒng)的硬件與軟件進行了設(shè)計。隨著電控系統(tǒng)在國內(nèi)煤礦逐步得到推廣使用，國內(nèi)煤礦的生產(chǎn)效率與人身安全會得到顯著提高。