液壓支架電液控制系統(tǒng)關鍵技術研究

侯茂森

（山西焦煤西山煤電杜兒坪礦， 山西 太原 030000）

引言

目前以液壓油缸為主要傳動機構(gòu)的液壓支架大多采用電液控制方式實現(xiàn)單個及成組支架的移動、升降柱、梁體及護幫伸縮等操作，因此相應電液控制系統(tǒng)的性能及可靠性對于提高液壓支架自動化控制水平至關重要[1-3]。

目前國內(nèi)自主研發(fā)的電液控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多沿用國外成熟技術，通信方式均采用以串口及CAN 總線為主的有線通信，不僅布線存在困難，同時在惡劣環(huán)境下電纜磨損嚴重，系統(tǒng)通信質(zhì)量及數(shù)據(jù)采集可靠性不高。針對上述問題，本文引入Zigbee 無線通信技術設計了一種采用CAN 總線+Zigbee 組合通信網(wǎng)絡的液壓支架電液控制系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)通信可靠性，并通過MCU 控制器實現(xiàn)對液壓支架的動作時間、速度及工作方式的自動控制，從而提升綜采面的無人化及智能化程度，有效提高綜采面的工作效率及安全性。

1 電液控制系統(tǒng)總體方案

1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能

本文所設計的電液控制系統(tǒng)主要通過MCU 控制器實現(xiàn)對液壓支架的自動控制，采用壓力、位移及紅外等各類傳感器對支架運行數(shù)據(jù)進行實時采集，由上位機實現(xiàn)控制算法及控制指令下達、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示及存儲分析功能。具體功能介紹如下：

1）單架控制功能。系統(tǒng)可通過單臺支架的獨立MCU 控制器實現(xiàn)對本架或鄰架的升降柱、護幫及梁體伸縮、推溜及移架等基本操作的自動控制，即按下上位機操作臺按鈕后液壓支架可按照既定順序依次執(zhí)行降柱、移架、升柱等動作。

2）成組支架控制功能。系統(tǒng)可對一組液壓支架進行編組設置，并選取其中一臺支架為主控支架通過其控制器實現(xiàn)對該組支架的整體動作控制。

3）實時監(jiān)測功能。系統(tǒng)可通過紅外傳感器實時判斷采煤機位置，并通過位移及壓力傳感器對支架推移量及頂板壓力數(shù)據(jù)進行實時采集反饋。

4）自動控制功能。系統(tǒng)可根據(jù)各類傳感器所反饋的采煤機位置及油缸壓力等數(shù)據(jù)對液壓支架執(zhí)行自動跟機及自動補壓等控制操作。

5）智能上位機監(jiān)控平臺。上位機可對液壓支架運行狀態(tài)進行實時直觀顯示，并通過控制算法自動實現(xiàn)相應動作的執(zhí)行，同時還具備數(shù)據(jù)存儲、打印等功能。

6）具備急停閉鎖及故障報警功能。系統(tǒng)可對處于固定狀態(tài)的支架執(zhí)行閉鎖操作；當支架遇到故障時，可立即停機并發(fā)出報警，并對故障事件進行存儲及分析。

1.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文在傳統(tǒng)電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上采用Zigbee 通信作為各支架控制器與上位機的主要通信方式，可有效解決采用有線通信所引起的布線困難及通信可靠性低的問題，同時為保證系統(tǒng)通信的可靠性，系統(tǒng)將CAN 總線作為備用通信方式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示。

由圖1 可知，系統(tǒng)端頭支架控制器采用以太網(wǎng)與上位機實現(xiàn)通信，由Zigbee 節(jié)點組成的無線通信網(wǎng)絡負責各支架數(shù)據(jù)及指令的傳輸。CAN 總線作為備用通信通道當無線節(jié)點發(fā)生故障時即可啟用，通過該組合通信模式可有效提高監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性及靈活性[4]。位于各支架的采集單元由紅外、位移及壓力等傳感器組成，可實時采集支架運行數(shù)據(jù)，通過上位機及各控制器的配合可實現(xiàn)對單個及成組支架的自動控制。

圖1 電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 電液控制系統(tǒng)硬件設計

液壓支架電液控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括MCU 主控器、數(shù)據(jù)采集單元及通信單元的選型及設計，其中數(shù)據(jù)采集單元主要由油壓、位移及紅外傳感器組成，用于實時采集液壓油缸壓力、支架行程以及采煤機位置等核心運行參數(shù)，通信單元由Zigbee 無線通信模塊、CAN 總線通信模塊及以太網(wǎng)通信模塊組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了保證系統(tǒng)硬件靈活性，本文選用體積較小的STM32F103C8T6 型MCU 作為主控器安裝于各支架上，其內(nèi)部多達80 個快速I/O 接口及多個不同類型的通信接口，可滿足系統(tǒng)的接口資源及通信需求。由上位機下達的急停及閉鎖信號通過開關量輸入電路輸入至MCU 中進行相應操作，控制指令通過開關量輸出電路輸出至以電磁閥為主的執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)不同動作的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)采集單元由各類傳感器組成，是實現(xiàn)支架運行狀態(tài)監(jiān)測及參數(shù)反饋的重要部分。其中紅外傳感器由發(fā)射器及接收器組成，分別安裝于采煤機機身及液壓支架上，系統(tǒng)通過反饋的采煤機位置控制液壓支架執(zhí)行自動跟機等操作。位移傳感器主要用于實時采集液壓支架的行程量數(shù)據(jù)，為保證測量精度，本文選用HDM-GJ 型礦用液壓油缸磁致伸縮傳感器進行支架位移數(shù)據(jù)采集，其測量范圍為 50～2 000 mm，遲滯＜±0.002%F.S.，分辨率可達0.05 mm。

由于位移傳感器及油壓傳感器所采集的數(shù)據(jù)輸出為 4～20 mA 電流信號，而 STM32 系列 MCU 的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口僅支持0～3.3 V 電壓信號，因此需要模擬量調(diào)理電路對所輸入的電流信號進行電壓轉(zhuǎn)換，得到MCU 可識別的電壓信號，相應轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

圖3 模擬量調(diào)理電路

作為本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡架構(gòu)基礎，選擇高性能的Zigbee 通信模塊是保證系統(tǒng)通信可靠性的關鍵。本文Zigbee 通信模塊型號選用WLT2408NZ，其信號傳輸距離高達500 m，最高信號傳輸速率為1 Mbit/s。WLT2408NZ 的接口類型為三線制串口，可無需任何外圍電路即可與MCU 實現(xiàn)直連，進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性及抗干擾性。

3 電液控制系統(tǒng)軟件設計

由于本文所設計的電液控制系統(tǒng)采用STM32 系列MCU 作為控制核心，相應軟件開發(fā)環(huán)境采用Keil software 公司的Keil MDK 嵌入式編程平臺。首先系統(tǒng)控制方式分為遠程自動控制及就地手動操作兩種模式，控制對象為單個液壓支架或成組支架，當系統(tǒng)選擇自動控制模式時，系統(tǒng)會根據(jù)實時采集的采煤機位置數(shù)據(jù)自動執(zhí)行跟機、補壓等操作。當切換至急?；蜷]鎖模式或手動按下相應按鈕后即對液壓支架執(zhí)行相應動作，系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 電液控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)采用有線通信的電液控制系統(tǒng)基礎上，將Zigbee 無線通信作為系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的基本架構(gòu)，并以CAN 總線作為備用通信設計了一套基于MCU 控制的液壓支架無線電液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在實際運行中可實現(xiàn)單個或成組支架的移架、升降柱等基本動作的自動控制，具備支架運行狀態(tài)實時監(jiān)測及故障報警診斷等功能，有效提高了液壓支架控制的自動化及智能化水平。