CAN 數(shù)據(jù)總線在液壓支架電液控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

梁里鵬

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

液壓支架是煤礦井下用于巷道支護(hù)的機(jī)械設(shè)備，集機(jī)、電、液于一體，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和安全性。由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，液壓支架在支護(hù)過程中需要根據(jù)采煤機(jī)綜采作業(yè)的進(jìn)行不斷調(diào)整支護(hù)狀態(tài)，以避免出現(xiàn)支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而保證采煤機(jī)綜采作業(yè)的順利進(jìn)行及巷道的穩(wěn)定性。目前多數(shù)支架由于缺乏集中的控制系統(tǒng)，在井下進(jìn)行調(diào)整時(shí)均需要人工控制，這樣不僅效率低而且調(diào)整的精度差，無法滿足井下采煤機(jī)高效綜采作業(yè)的需求。

提升井下綜采作業(yè)效率的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)綜采工作面液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制，整個(gè)過程中涉及支架的升柱、降柱、推溜、拉架等，對(duì)支架的調(diào)整反應(yīng)靈敏性及精度要求較高。本文提出了一種新的基于CAN 數(shù)據(jù)總線電液控制系統(tǒng)，對(duì)該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成、控制原理及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

1 電液控制系統(tǒng)

為了滿足液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制及其他條件下的自動(dòng)化調(diào)整需求，本文提出的液壓支架電液控制系統(tǒng)采用了三級(jí)控制體系，其整體結(jié)構(gòu)[1]如圖1 所示。

由圖1 可知，該液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括地面上位機(jī)、井下下位機(jī)及感知層三級(jí)控制部分。上位機(jī)系統(tǒng)位于地面控制中心，主要包括視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面等模塊，用于顯示井下液壓支架的狀態(tài)參數(shù)及采煤機(jī)的綜采位置信息，還能夠通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)井下液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而提高緊急情況下對(duì)液壓支架調(diào)整的可靠性。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

下位機(jī)主要指設(shè)置在井下順槽內(nèi)的一個(gè)監(jiān)控主機(jī)，主要用于信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測(cè)，能夠匯總各個(gè)液壓支架控制器的數(shù)據(jù)信息，對(duì)各個(gè)支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行分析，同時(shí)能夠?qū)⑸衔粰C(jī)傳輸過來的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為支架的調(diào)整信號(hào)，從而控制液壓支架的狀態(tài)。

感知層主要是指設(shè)置在液壓支架上的各類傳感器信息，包括紅外線定位傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，主要用于對(duì)液壓支架的支護(hù)狀態(tài)、支架和采煤機(jī)的位置關(guān)系等進(jìn)行判斷，提高對(duì)支架運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)來完成，該結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠確保井下惡劣環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

該液壓支架電液控制系統(tǒng)需要滿足對(duì)井下液壓支架組的集中監(jiān)測(cè)和控制需求，在同一時(shí)間段內(nèi)所涉及的監(jiān)測(cè)信息量巨大，系統(tǒng)需要對(duì)所有監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行快速確認(rèn)和分析，并及時(shí)對(duì)各液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和調(diào)整，因此對(duì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的要求極高，不僅需要滿足短時(shí)間內(nèi)大量數(shù)據(jù)通信的需求，還需要滿足抗干擾和數(shù)據(jù)傳輸效率的需求。

因此，為了滿足數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)兼容性及穩(wěn)定性的需求，在系統(tǒng)中設(shè)置了雙通信回路，以CAN 總線為核心滿足主機(jī)和支架控制器間的數(shù)據(jù)通信需求，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[2]如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，在該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，各個(gè)支架控制器之間采用了RS485 通信模式，能夠提高支架控制器間的數(shù)據(jù)通信效率和響應(yīng)速度；在架間通信線路中包括光耦隔離、防高壓侵入保護(hù)線路、斯密特觸發(fā)反相器等，能夠?qū)u變的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為清晰、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信息。

支架控制器、巷道主機(jī)、地面控制中心之間的數(shù)據(jù)則需要通過CAN 數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，所使用的數(shù)據(jù)總線具有雙屏蔽功能[3]，可滿足井下復(fù)雜環(huán)境中的抗干擾需求，同時(shí)在通信電纜中增加了集成隔離轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)通信的隔離保護(hù)，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3 CAN 總線控制系統(tǒng)邏輯

為了滿足液壓支架在不同情況下的智能控制需求，依據(jù)各液壓支架的動(dòng)作執(zhí)行順序，提出了“支架控制器就地控制為主，遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔”的控制邏輯。支架控制器的就地控制主要是依靠井下順槽控制中心的人機(jī)交互界面進(jìn)行，向?qū)?yīng)的支架發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架的單機(jī)、支架組的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制。

遠(yuǎn)程干預(yù)控制[4]主要是指地面控制中心的控制人員根據(jù)井下的實(shí)際情況，發(fā)出支架調(diào)節(jié)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)支架支護(hù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整，同時(shí)支架控制器將液壓支架工作時(shí)的壓力、采煤機(jī)位置等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)進(jìn)行匯總分析后上傳到地面控制中心，從而滿足對(duì)液壓支架組運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)整的需求。

根據(jù)液壓支架的實(shí)際控制需求，支架控制器處于該控制系統(tǒng)的核心地位，需要滿足數(shù)據(jù)信息匯總、分析、調(diào)整、轉(zhuǎn)換等需求，因此對(duì)支架控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了支架控制器的模塊化程度，設(shè)置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，能夠根據(jù)支架控制的實(shí)際需求進(jìn)行快速調(diào)整，各個(gè)接口均采用標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議，能夠滿足數(shù)據(jù)的快速傳輸需求。該支架控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 支架控制器硬件結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，支架控制器的各個(gè)控制單元均為模塊化布置，一個(gè)模塊單元的失效不會(huì)影響整個(gè)支架控制器的使用，因此能夠進(jìn)行快速更換和調(diào)整，極大地提升了支架控制器在井下復(fù)雜環(huán)境條件下的使用可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4 應(yīng)用效果分析

為了對(duì)該電液控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，在井下對(duì)優(yōu)化前后的支架運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。采用新的智能控制系統(tǒng)后，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓支架支護(hù)姿態(tài)、支護(hù)壓力等的智能監(jiān)控、報(bào)警；當(dāng)井下由于礦壓波動(dòng)、綜采擾動(dòng)、液壓支架泄漏等導(dǎo)致支架支護(hù)壓力下降時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)壓，從而保證了在整個(gè)支護(hù)過程中的支護(hù)力，避免了支護(hù)失穩(wěn)；支架控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓支架與采煤機(jī)相對(duì)位置的精確判斷，從而控制支架井下收放護(hù)幫板、自動(dòng)移架等。將單個(gè)支架的姿態(tài)調(diào)整時(shí)間由最初的18.7 min 降低到了目前的10.34 min，將支架調(diào)整時(shí)間降低44.7%；將液壓支架調(diào)整時(shí)的精度由±20 mm 提升到了±3.08 mm，顯著提升了支架的自動(dòng)調(diào)節(jié)精確性，為實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面的智能綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。井下液壓支架支護(hù)結(jié)構(gòu)如下頁圖4 所示。

圖4 液壓支架支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

1）液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括地面上位機(jī)、井下下位機(jī)及感知層三級(jí)控制部分，該系統(tǒng)通過CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速、高可靠性傳輸。

2）各個(gè)支架控制器之間采用了RS485 通信模式，支架控制器、巷道主機(jī)、地面控制中心之間的數(shù)據(jù)通信則需要通過CAN 數(shù)據(jù)總線通信，能保證整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎途_性需求。

3）新的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒅Ъ苷{(diào)整時(shí)間降低44.7%，將調(diào)整精度提升84.6%，對(duì)提升井下支架的智能控制效果具有十分重要的意義，為實(shí)現(xiàn)井下綜采工作面的智能綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。