楊 亮
(內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)
煤礦開(kāi)采過(guò)程中液壓支架是非常重要的“三機(jī)”裝備之一,主要作用是對(duì)工作面頂部進(jìn)行支撐,達(dá)到保護(hù)井下人員和設(shè)備的效果[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升,對(duì)液壓支架方面的要求越來(lái)越高[2]??刂葡到y(tǒng)是液壓支架的重要構(gòu)成部分,作用是對(duì)液壓支架進(jìn)行控制,確保液壓支架實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能[3]。目前我國(guó)很多液壓支架從國(guó)外引進(jìn),使用的控制系統(tǒng)存在通信協(xié)議加密問(wèn)題,破解難度很大,難以對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造,且很多功能受限[4]。我國(guó)自主研制的液壓支架控制系統(tǒng)價(jià)格雖然低廉,但性能上存在很多缺陷,運(yùn)行可靠性較低,容易受外部因素干擾等[5]。針對(duì)該問(wèn)題,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了研究。李瑞龍對(duì)以綜采工作面的液壓支架為研究對(duì)象,結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與優(yōu)化,進(jìn)一步提升了控制系統(tǒng)的性能[6]。付翔等人以煤礦工作面中的供液系統(tǒng)及液壓支架為對(duì)象,分析了兩者之間的協(xié)調(diào)控制模型,有效提升了控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[7]。燕鵬達(dá)同樣以煤礦液壓支架為對(duì)象,分析了設(shè)備的跟機(jī)自動(dòng)智能化控制系統(tǒng),并將其部署到工程實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期效果[8]。以上關(guān)于液壓支架控制系統(tǒng)的研究取得了很好的效果,本文在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上,以液壓支架為研究對(duì)象,對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與研究,結(jié)合煤礦實(shí)際情況設(shè)計(jì)液壓支架的控制系統(tǒng),確保系統(tǒng)能夠滿足煤礦現(xiàn)代化的基本需求[9]。
煤礦液壓支架控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控主機(jī)、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅(qū)動(dòng)器、電源箱、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、隔離耦合器等部分構(gòu)成。其中,傳感器又分為很多類(lèi)型,主要包括壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、測(cè)高傳感器、紅外發(fā)送器及接收器,作用是對(duì)液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),將結(jié)果反饋到控制器中,以便控制系統(tǒng)實(shí)施掌握液壓支架的運(yùn)行狀態(tài),為精確控制提供數(shù)據(jù)支撐[10]。支架控制器是控制系統(tǒng)中比較核心的構(gòu)成部分,系統(tǒng)為每個(gè)液壓支架配備了一臺(tái)支架控制器,控制器可以對(duì)液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析,所有控制器都進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互[11]。同時(shí)控制器還與監(jiān)控主機(jī)連接,利用監(jiān)控主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)煤礦工作面所有液壓支架工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。
圖1 液壓支架控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成Fig.1 Main components of hydraulic support control system
液壓支架控制系統(tǒng)的重要作用是對(duì)液壓支架的各項(xiàng)動(dòng)作進(jìn)行精確及時(shí)的控制,保障煤礦生產(chǎn)過(guò)程的正常推進(jìn)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),功能比較豐富,可以確保液壓支架控制過(guò)程的安全性、協(xié)調(diào)性以及便捷性。系統(tǒng)主要功能有:
(1)單個(gè)支架的控制。操作人員在支架控制器上,可以選擇除本支架外臨近的液壓支架作為對(duì)象進(jìn)行控制。系統(tǒng)考慮到安全問(wèn)題,限制只能選擇本支架左、右兩個(gè)相鄰支架作為控制對(duì)象,也可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)增加可控對(duì)象的數(shù)量??刂七^(guò)程可分為兩種類(lèi)型,其一是利用按鍵控制支架的單個(gè)動(dòng)作,其二是控制單個(gè)支架按照一定的順序完成復(fù)雜動(dòng)作,在實(shí)現(xiàn)一連串復(fù)雜動(dòng)作期間無(wú)需人工干預(yù)。
(2)支架成組動(dòng)作的自動(dòng)控制。該模式下可以在工作面上選擇一個(gè)基準(zhǔn)支架,然后向左或向右設(shè)置一組液壓支架,具體數(shù)量可結(jié)合實(shí)際情況確定。然后下達(dá)控制指令,這組液壓支架完成設(shè)定的系列動(dòng)作。與基準(zhǔn)支架臨近的支架最先開(kāi)始動(dòng)作,按指令完成所有的動(dòng)作后,下一個(gè)支架按指令完成相同的動(dòng)作,直到本組支架完成所有動(dòng)作為止。執(zhí)行此控制模式時(shí),需要在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置一系列的動(dòng)作參數(shù)和規(guī)則,保存后方可執(zhí)行。
(3)支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)控制。在此控制模式下,液壓支架完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。需要利用可靠的檢測(cè)裝置對(duì)采煤機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集,利用信號(hào)轉(zhuǎn)換器將采集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,輸入到液壓支架控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)的位置下達(dá)指令,控制對(duì)應(yīng)液壓支架進(jìn)行動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)液壓支架與其他主要采煤設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。
在考慮傳統(tǒng)液壓支架控制系統(tǒng)缺陷問(wèn)題的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)基于CAN總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),基于采用冗余設(shè)計(jì)的原則,并考慮過(guò)壓、過(guò)流、斷路保護(hù)等[12]。支架控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,控制器以Rabbit3000單片機(jī)為核心,利用傳感器數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集,利用電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)液壓支架的控制。此外,還包括左右鄰架通信、主控制器通信、人機(jī)界面通信等,以上均基于CAN總線進(jìn)行通信。
圖2 支架控制器的整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the bracket controller
對(duì)于工作面中所有的液壓支架均配備有控制器、人機(jī)交互界面、傳感器、控制電纜等硬件設(shè)施,以上硬件設(shè)施結(jié)合軟件程序可以形成一套完整的控制系統(tǒng)。支架控制器是液壓支架控制系統(tǒng)的核心部分,在支架控制器的人機(jī)交互界面可以進(jìn)行操作,下達(dá)各項(xiàng)指令對(duì)支架進(jìn)行控制[13]。指令可以通過(guò)通信電纜下達(dá)到本支架的控制器上,也可通過(guò)電纜下達(dá)到鄰架甚至遠(yuǎn)程支架的控制器上,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各類(lèi)電磁閥電路工作,完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
支架控制器的整體功能框架如圖3所示。由圖3可知,支架控制器不僅可以對(duì)單個(gè)支架的單個(gè)動(dòng)作進(jìn)行控制,還可同時(shí)對(duì)多個(gè)支架進(jìn)行成組動(dòng)作控制。遇到緊急情況時(shí),可以進(jìn)行急停與閉鎖,確保煤礦生產(chǎn)安全。針對(duì)液壓缸的壓力不足問(wèn)題,可以進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓,保障液壓支架運(yùn)行的可靠性。利用傳感器對(duì)采煤機(jī)的位置信息進(jìn)行采集,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作控制功能??刂破骶邆渥栽\斷功能,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身存在的故障問(wèn)題,提升液壓支架運(yùn)行的穩(wěn)定性。具備集控功能,所有支架控制器均接受主控制器的控制,達(dá)到集中控制的效果。
圖3 支架控制器整體功能框架Fig.3 Overall functional framework of bracket controller
(1)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。根據(jù)煤礦環(huán)境及液壓支架控制系統(tǒng)的實(shí)際使用要求,支架控制器的技術(shù)指標(biāo)有:額定工作電壓為12 VDC,工作電流不超過(guò)640 mA,設(shè)置有4路CAN通信端口,通信方式可采用無(wú)主式、半雙工和單極性,CAN通信端口最大傳輸距離及傳輸速率分別為50 m和33.3 Kbit/s,通信時(shí)的電壓峰值不超過(guò)5.5 V,共有3路模擬量輸入信號(hào),2路電流為0.2~1.26 mA,1路電流為0.2~1 mA,對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)誤差控制在2.5%內(nèi)。
(2)主要功能。設(shè)計(jì)的支架控制器具備自檢功能,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身存在的故障問(wèn)題。主要功能是對(duì)液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)支架各項(xiàng)動(dòng)作進(jìn)行控制,還與其他支架進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
支架控制器的電氣原理如圖4所示。由圖4可知,支架控制器以Rabbit3000單片機(jī)為核心,加上其他外圍拓展電路。單片機(jī)拓展有SRAM和FLASH,分別作為運(yùn)行空間和閃存空間,大小均為512 K,后者的主要作用是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置程序及原始參數(shù)進(jìn)行存放。利用CAN總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與本機(jī)架人機(jī)界面之間的通信,與左右支架控制器及主控制器之間的通信同樣基于CAN總線方式進(jìn)行。主控制器需要下達(dá)指令時(shí)可以通過(guò)廣播方式快速傳達(dá)到所有支架控制器中??刂破鬟\(yùn)行時(shí)需要利用傳感器對(duì)支架狀態(tài),主要是壓力和行程等參數(shù)進(jìn)行采集,采集結(jié)果利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后,輸入到Rabbit3000單片機(jī)中進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)分析結(jié)果下達(dá)指令,輸出16路數(shù)字量信號(hào),作用在電磁驅(qū)動(dòng)電路上驅(qū)動(dòng)液壓支架工作。電磁驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)之間利用光耦隔離電路進(jìn)行隔離,防止兩者之間相互干擾,影響支架控制器的運(yùn)行穩(wěn)定性。
圖4 支架控制器的電氣原理Fig.4 Electrical principle of bracket controller
對(duì)于支架控制器而言,選擇合適的單片機(jī)直接影響其性能。目前市場(chǎng)上有很多類(lèi)型的單片機(jī),Rabbit單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用,該系列單片機(jī)專(zhuān)門(mén)針對(duì)中小型控制器設(shè)計(jì),雖然體積較小,但擁有良好的性能,可以利用常見(jiàn)的C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中選用的是Rabbit3000單片機(jī),此型號(hào)單片機(jī)的最大時(shí)鐘頻率可以達(dá)到55.5 MHz,數(shù)據(jù)總線和地址總線分別為8位和20位,片選信號(hào)和讀寫(xiě)控制線的數(shù)量分別為3根和2組??梢愿鶕?jù)實(shí)際需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ),最大可以擴(kuò)展1 M。系統(tǒng)還拓展了SRAM核心模塊和FLASH程序存儲(chǔ)器模塊,大小全部為512 K。
已有的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,在煤礦復(fù)雜的工況環(huán)境下利用CAN總線進(jìn)行通信,具有良好的抗干擾能力、使用線纜相對(duì)較好、數(shù)據(jù)通信過(guò)程穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì),所以支架控制系中所有通信全部基于CAN總線完成。通信結(jié)構(gòu)的原理如圖5所示,系統(tǒng)中由于使用了智能耦合器,使得CAN總線的節(jié)點(diǎn)約束大幅度提升,可以達(dá)到110個(gè)節(jié)點(diǎn),完全能夠滿足煤礦工作面液壓支架的基本需求。在充分考慮煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)的CAN總線共有兩條線路,分別為主干CAN總線和鄰架CAN總線,分別稱(chēng)為CANBUS和CANBIDI。采用這種設(shè)計(jì)的原因是支架控制器的通信比較頻繁,采用兩條總線能使通信數(shù)據(jù)分散,兩條總線可以互為冗余,提升控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。
圖5 通信結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Schematic diagram of communication structure
硬件部分是確保液壓支架控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ),軟件程序是控制系統(tǒng)的“大腦”,作用是下達(dá)指令驅(qū)動(dòng)各項(xiàng)硬件裝置運(yùn)行。系統(tǒng)軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺(tái)上利用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。以下對(duì)幾種典型的軟件程序工作流程進(jìn)行分析。
液壓支架工作時(shí)經(jīng)常需要對(duì)某個(gè)支架單獨(dú)控制,如對(duì)某個(gè)支架進(jìn)行動(dòng)作檢測(cè)或調(diào)架時(shí)需采用該功能,或當(dāng)工作面環(huán)境復(fù)雜、自動(dòng)控制難以完成相關(guān)動(dòng)作時(shí),也需采用單個(gè)動(dòng)作進(jìn)行移架。單個(gè)動(dòng)作是針對(duì)某個(gè)支架的某些動(dòng)作進(jìn)行單獨(dú)控制,為保證動(dòng)作過(guò)程的安全,采用的是即按即動(dòng)的模式。操作人員按下對(duì)應(yīng)按鈕,液壓支架發(fā)生對(duì)應(yīng)動(dòng)作,松開(kāi)則停止。對(duì)于比較常用的單個(gè)動(dòng)作(如升降、平移、護(hù)幫等),可直接設(shè)置快捷按鈕,對(duì)于不常用的動(dòng)作可以將其隱藏在輔助功能菜單中。單個(gè)動(dòng)作的軟件程序工作流程如圖6所示。
圖6 單個(gè)動(dòng)作的軟件程序工作流程Fig.6 Software program workflow for a single action
由圖6可知,當(dāng)系統(tǒng)接收到單個(gè)動(dòng)作預(yù)警命令時(shí),進(jìn)入從控模式。完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作后,監(jiān)控屏幕上顯示對(duì)應(yīng)的動(dòng)作過(guò)程。完成所有動(dòng)作的控制后,系統(tǒng)退出從控模式。
對(duì)于液壓支架控制系統(tǒng)而言,成組推溜是比較常用的控制功能。通常情況下就是利用該功能對(duì)礦井工作面的液壓支架進(jìn)行推溜操作。利用該功能時(shí)液壓支架的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置,并不是固定不變的,通常將液壓支架控制在10~15架為宜。成組推溜的軟件程序流程如圖7所示。由圖7可知,系統(tǒng)接收到成組推溜預(yù)警命令后,進(jìn)入從控模式。設(shè)定的液壓支架按照一定順序完成推溜動(dòng)作,直到最后一個(gè)支架完成所有推溜動(dòng)作后,系統(tǒng)退出從控模式?;玖鞒膛c單個(gè)動(dòng)作的控制模式相同,但成組推溜控制模式中需要相鄰支架控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,確保上個(gè)支架各項(xiàng)工作完成后,下個(gè)支架開(kāi)始動(dòng)作。整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中需要保證行程和壓力傳感器可以正常工作。
圖7 成組推溜的軟件程序流程Fig.7 Software program flow for group push sliding
當(dāng)煤礦工作面的工作環(huán)境比較好時(shí),液壓支架控制系統(tǒng)可以自動(dòng)完成移架動(dòng)作。系統(tǒng)中為了確保移架過(guò)程的安全性,采用自動(dòng)移架程序時(shí),只能對(duì)左、右相鄰支架進(jìn)行控制,并且在執(zhí)行自動(dòng)移架流程時(shí),必須確保臨近支架具備充足的支撐力。
在確保支撐壓力滿足要求的前提下,執(zhí)行成組自動(dòng)降—升—移動(dòng)作,通過(guò)條件判斷移架動(dòng)作完成后,開(kāi)始實(shí)施噴水動(dòng)作、收縮梁動(dòng)作以及降柱動(dòng)作。系統(tǒng)需判斷整套動(dòng)作是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成,若超過(guò)規(guī)定時(shí)間需分析產(chǎn)生超時(shí)的原因,在確保安全的情況下才能開(kāi)展后續(xù)動(dòng)作。
為了驗(yàn)證煤礦液壓支架控制系統(tǒng)的正確性和可靠性,根據(jù)上文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案,將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中,該工作面中使用的液壓支架型號(hào)為ZFS3300。系統(tǒng)正式投入應(yīng)用前,對(duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為測(cè)試通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的效率和質(zhì)量,對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,隨著數(shù)據(jù)發(fā)送間隔的不斷延長(zhǎng),數(shù)據(jù)傳輸速度逐漸降低。測(cè)試過(guò)程還發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)發(fā)送間隔越長(zhǎng)則數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性越好。因此,在綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性?xún)煞矫嬉蛩氐幕A(chǔ)上,將數(shù)據(jù)發(fā)送間隔確定在10~15 ms。
圖8 數(shù)據(jù)幀發(fā)送間隔對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的影響Fig.8 Influence of data frame sending interval on data transmission speed
測(cè)試期間在系統(tǒng)中輸入不同的模擬控制信號(hào),結(jié)果發(fā)現(xiàn)液壓支架控制系統(tǒng)可以正確地根據(jù)指令完成升降、移動(dòng)等各項(xiàng)動(dòng)作,同時(shí)在主監(jiān)控系統(tǒng)中能實(shí)時(shí)觀察到液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)。為測(cè)試控制系統(tǒng)的故障報(bào)警性能,測(cè)試期間將2號(hào)液壓支架的立柱缸壓人為降低,結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力降低問(wèn)題并故障報(bào)警,同時(shí)下達(dá)指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)處理。利用人工方式對(duì)5號(hào)液壓支架控制器進(jìn)行離線操作后,系統(tǒng)可以在3 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并下達(dá)指令進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)在控制界面實(shí)時(shí)顯示5號(hào)液壓支架的離線故障問(wèn)題。基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的液壓支架控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能都能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn),具有較高的可靠性。完成測(cè)試工作后,控制系統(tǒng)正式投入使用,截至目前系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時(shí)間超過(guò)1年。期間系統(tǒng)整體運(yùn)行良好,為ZFS3300型液壓支架的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。支架控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖9所示。
圖9 支架控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.9 Field pictures of the bracket controller
以煤礦工作面“三機(jī)”裝備之一的液壓支架為研究對(duì)象,對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),并將其部署到工程實(shí)踐中,應(yīng)用效果良好。
(1)控制系統(tǒng)包括監(jiān)控主機(jī)、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅(qū)動(dòng)器、電源箱、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、隔離耦合器等部分,可實(shí)現(xiàn)單個(gè)支架控制、支架成組動(dòng)作自動(dòng)控制和支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)控制等功能。
(2)支架控制器以Rabbit3000單片機(jī)為核心,利用傳感器采集模塊實(shí)時(shí)收集液壓支架的工作狀態(tài),基于電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)支架各項(xiàng)動(dòng)作的有效控制。軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺(tái)上利用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),分析了單個(gè)動(dòng)作、成組推溜和自動(dòng)移駕的軟件程序流程。
(3)將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用到ZFS3300液壓支架中,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)功能都能夠?qū)崿F(xiàn),整體運(yùn)行良好,對(duì)于出現(xiàn)的故障問(wèn)題能及時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。