基于CAN 總線的薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)設計

田 偉

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

引言

我國煤炭開采常常出現(xiàn)采厚棄薄的情況，使得較多的薄煤層未得到開采，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、勞動強度較大，所以開采薄煤層并不劃算。隨著開采技術的不斷升級，薄煤層開采技術也在不斷成熟，薄煤層開采也成了大勢所趨[1]，保證薄煤層開采安全成為了首要的目標。目前薄煤層液壓支架作為綜采重要的機械設備，其性能很大程度上影響著開采安全，所以提升薄煤層液壓支架的工作效率十分必要[2]。

1 液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構

薄煤層液壓支架是綜采重要的設備，其在采煤過程中承擔著支撐頂板的作用，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計時，首先需要考慮支架的穩(wěn)定性及空間性。本文設計的薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)總體目標是通過信息傳輸實現(xiàn)無人化、智能化目的，具體結(jié)構如圖1 所示。

圖1 電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構圖

井下防爆計算機與地面計算機共同組成控制系統(tǒng)的上位機部分，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 架構設計，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)測及通信線路故障預警等功能，順槽監(jiān)控系統(tǒng)與地下監(jiān)控系統(tǒng)采用SQLserver 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)。

2 控制器選型

對液壓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STM32F407ZGT6 中央處理器，其具有結(jié)構體積小、處理能力強、能耗低等優(yōu)點。對單片機進行選型，首先需要滿足所要求的基本功能，本文選擇型號為STM32F407ZGT6 單片機，其具有豐富的I/O 接口，采用32 位內(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、外設資源豐富等優(yōu)點，可充分滿足性能需求。對單片機的最小系統(tǒng)單元硬件進行選型，最小系統(tǒng)中包括了復位電路、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；復位電路采用RC 低電平復位電路；下載電路的下載接口分為20 針、10 針JTAG 接口和SWD 接口。

2.1 控制系統(tǒng)基本單元硬件設計

對控制系統(tǒng)基本功能單元硬件進行設計，結(jié)構單元主要包括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，能夠較好地滿足礦井工作要求。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，當支架處于待機狀態(tài)時，此時系統(tǒng)的所有指示燈不亮，當人工進行操作時，此時系統(tǒng)指示燈為綠色，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障指示燈立刻呈現(xiàn)紅色并報警，此時系統(tǒng)會在顯示模塊顯示急停、閉鎖的信號。本文設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。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GPIO 口為高電平時，此時RED+與RED-之間的紅色報警燈會亮，而同樣的綠色指示燈與紅色指示燈的工作原理相同，通過采用三極管作為開關元件，有效保證故障報警的響應速度，同時通過多次的試驗驗證了設計電路系統(tǒng)的可行性與可靠性。

2.2 系統(tǒng)通信單元設計

對系統(tǒng)的通信單元進行設計，首先對CAN 通信電路進行設計，控制器是CAN 通信總線的節(jié)點，節(jié)點采用物理層器件，STM32F407ZGT6 單片機共有2路CAN 控制器，本文的CAN 通信節(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，能較好地實現(xiàn)輸出輸入的分離；防沖擊保護電路由二極管、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信速率可以達到1 Mbit/s。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。

2.3 系統(tǒng)驅(qū)動單元設計

驅(qū)動單元的設計是對電磁先導閥的驅(qū)動參數(shù)進行設計，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電磁先導閥的工作電壓為5～12 V，根據(jù)單片機特點及驅(qū)動要求設計驅(qū)動單元，驅(qū)動單元流程如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動單元流程

從圖3 可以看出，單片機的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，單片機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單元，襯板電路用于提供12 V 的系統(tǒng)工作電壓，通過MOSFET 的輸出特征控制電磁閥。

數(shù)據(jù)采集單元是整個電液控制的核心單元，其主要負責采集電壓、位移等參數(shù)，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)，采集模塊的流程如圖4 所示。

圖4 采集模塊的流程

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)換及處理模塊時會進行處理及反饋，并將處理的結(jié)果及分析展示于顯示模塊。

3 結(jié)語

本文對薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)進行設計，首先給出了電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構圖，并對結(jié)構圖中結(jié)構功能進行分析，后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研究，分別給出了最小系統(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及其優(yōu)勢，為薄煤層開采液壓支架控制系統(tǒng)設計提供一定的參考，為礦井高效開采提供依據(jù)。