液壓支架電液控制器信號采集系統的設計與試驗研究

張明敏 夏 鵬 崔亞斌 劉庸奇 王艷燕

（1.中國礦業大學 （北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西焦煤汾西瑞泰能源集團有限責任公司，山西省晉中市，031500）

液壓支架電液控制器信號采集系統的設計與試驗研究

張明敏1，2夏 鵬1崔亞斌1劉庸奇1王艷燕1

（1.中國礦業大學 （北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083；2.山西焦煤汾西瑞泰能源集團有限責任公司，山西省晉中市，031500）

闡述了液壓支架電液控制技術的發展現狀，介紹了液壓支架電液控制器的設計和功能結構，詳細介紹了電液控制器信號采集系統的硬件和軟件設計，試驗調試表明，該設計達到了預期的設計要求。

液壓支架 電液控制器 信號采集系統 傳感器

1 液壓支架電液控制技術概述

液壓支架電液控制技術是近10年來世界煤炭開采機械化領域的一項引人注目的重大技術突破，是現代高新技術發展的重要成果，電液控制技術的引入使采煤技術從機械化向自動化的轉變成為現實。

隨著電液控制技術的發展和應用，電液控制系統的功能也越來越完善。信號采集系統是電液控制技術發展過程中新增加的一項重要功能，傳感器采集到升降柱壓力、拉架和推溜位移以及采煤機的紅外信號等信息，再通過數據總線傳輸到人機界面進行顯示，并通過數據轉換器傳輸到主控計算機上進行整個工作面支架電液控制系統的集中監測監控。通過信號采集系統，操作者可以實時掌握整個綜采面的運行情況，在無人操作時，液壓支架可以根據傳感器采集的信號實現自動運行。本文在電液控制器的基礎上，設計了液壓支架電液控制器信號的采集系統。

2 液壓支架電液控制器設計

結合煤礦井下特殊的工況和復雜的應用環境，將液壓支架的電液控制器進行了模塊化劃分，主要分為人機界面、支架控制器和隔離耦合器3個模塊，電液控制器功能結構如圖1所示。

2.1 人機界面

人機界面是整個系統的遙控器和顯示器，用來完成用戶按鍵輸入操作、發出控制命令和顯示各種信息，設有控制鍵、動作鍵和方向鍵等，其中控制鍵有急停、脫離總線和選擇等功能，動作鍵有降柱、移架、升柱和推移刮板輸送機等功能，方向鍵有向左和向右的選擇功能。

2.2 支架控制器

支架控制器是整個系統的核心，它負責與其他支架控制器的通信、驅動電磁先導閥和獲取各路傳感器的信息。主要功能為：一是進行功率信號的放大和輸出，控制電磁先導閥的開啟與關閉；二是傳感器信號的采集、處理和傳輸；三是與其他支架進行CAN總線通信。

2.3 隔離耦合器

隔離耦合器是CAN總線組網的關鍵設備，因為CAN總線通信距離最長為10 km，網絡中節點數最多能有110個，但煤礦現場設備節點多、距離長且供電系統復雜，利用中繼器不僅可以提高通信距離和網絡的節點數，而且可以連接不同波特率工作下的CAN總線網絡，實現電源的隔離和信號的耦合。

3 電液控制器信號采集系統的硬件設計

為了能實時掌握綜采工作面的環境情況，對綜采工作面的環境進行實時監測是十分必要的。綜采面的環境信號主要包括支架立柱的壓力、推溜拉架位移、紅外信號和瓦斯濃度等等，其中壓力、位移和紅外信號與液壓支架的工作情況緊密相關。

3.1 主控芯片的選型

本文設計的電液控制系統采用的主控芯片是由意法半導體公司生產的STM32系列芯片STM32F105，最高工作頻率為72 MHz，最高集成512 KB的Flash存儲器和64 KB的SRAM存儲器，并有DMA、RTC、獨立看門狗、窗口看門狗、Sys Tick定時器、通用定時器、USART、CAN、USB、GPIO、ADC、DAC以及JTAG調試端口等片內外設。STM32F105有兩個ADC，功能相同，為了減少編程的難度和降低系統整體功耗，本文只使用一個ADC即可。

3.2 信號調理電路的設計

支架控制器模擬量輸入信號有壓力信號、位移信號和紅外信號3路信號，3路A／D的輸入信號都是0～5 V，在進入MCU的ADC口之前經過A／D調理電路轉換成0～3 V，所以這3路A／D的調理電路和保護電路相同。模擬量調理電路如圖2所示。

圖2 模擬量信號調理電路

如圖2所示，AIN＿1、AIN＿2和AIN＿3與主控芯片的ADC輸入引腳相連進行信號采集。為了保證A／D轉換的精度，電阻R46、R43、R49和R52應選用高精度電阻，精度為1%。

在默認情況下使用的傳感器輸出電壓為0～5 V的電壓型傳感器，但是隨著技術的不斷進步，電流型傳感器的應用越來越廣泛，出于今后需要的可能，本文設計了一個跳線 （P3）用來接入電流型傳感器。當電流為0～20 m A時，經過一個250Ω的采樣電阻就會變成一個0～5 V的電壓信號。0～5 V的電壓信號經過一個100 nF的電容濾波之后，電壓信號會由不斷跳變的不穩定信號變為一個相對穩定的信號，并傳給運算放大器的輸入端。運算放大器組成了一個差分放大的組態來對信號進行衰減，其中，G=R52／R46=0.6。故當輸入信號為0～5 V時，輸出信號為0～3 V。由于運算放大器組成的差分放大電路的輸入電阻很大而輸出電阻小，這樣能夠起到隔離放大的作用，有效防止干擾信號竄入MCU。

3.3 模擬信號通信系統設計

《液壓支架操作工操作規程》中明確規定，本架液壓支架電液控制器不允許控制本支架，本架電液控制器必須控制本支架的相鄰架或相隔架。當進行升降柱時，采集的壓力信號應該是相鄰架或是相隔架的立柱壓力信號，信號需要傳輸到本架電液控制器上進行顯示。支架間通信采用CAN總線進行傳輸，傳感器采集到的信號經過CAN總線傳輸到相臨架或相隔架控制器，再經過RS232傳送到人機界面進行信號的顯示。模擬信號傳輸示意圖如圖3所示。

圖3 模擬信號傳輸示意圖

4 電液控制器信號采集系統軟件設計

STM32F105擁有2個ADC，并有18個不同的通道，其中16個通道負責外部信號處理，剩下的2個通道負責內部信號處理。各通道的A／D切換執行模式可分為一次性模式、非間斷模式、掃描模式和間斷模式4種。STM32F105的ADC的最快的轉換時間為1μs。如果ADC的時鐘超過了14 MHz，就會導致ADC的轉換結果失真。

4.1 ADC初始化

（1）開啟PA口時鐘和ADC1時鐘，設置PA1為模擬輸入。STM32F105的ADC通道1在PA1上，所以先要使能PORTA的時鐘和ADC1時鐘，然后設置PA1為模擬輸入。使能GPIOA和ADC時鐘用RCC＿APB2PeriphClock Cmd函數，設置PA1的輸入方式使用GPIO＿Init函數即可。

（2）復位ADC1，同時設置ADC1分頻因子。ADC時鐘復位的方法為 ADC＿DeInit（ADC1），分頻因子要確保ADC1的時鐘 （ADCCLK）不要超過14 MHz。本文設置分頻因子6位，時鐘為72／6=12 MHz。

（3）初始化 ADC1參數，設置ADC1的工作模式以及規則序列的相關信息。這些在庫函數中是通過函數ADC＿Init實現的，其定義為：

void ADC＿Init（ADC＿TypeDef＊ ADCx，ADC＿Init TypeDef＊ ADC＿InitStruct）

從函數定義可以看出，第一個參數是指定ADC號，第二個參數跟其他外設初始化一樣，同樣是通過設置結構體成員變量的值來設定參數。

（4）使能ADC并校準。在設置完了以上信息后，就使能AD轉換器，執行復位校準和AD校準，不校準將導致結果不準確。使能指定的ADC的方法為ADC＿Cmd （ADC1，ENABLE），執行復位校準的方法為ADC＿ResetCalibration（ADC1），執行ADC校準的方法為ADC＿Start-Calibration（ADC1）。每次進行校準之后要等待校準結束，通過獲取校準狀態來判斷是否校準和是否結束。

4.2 ADC值的讀取

在校準完成之后，ADC準備就緒，設置規則序列1里面的通道、采樣順序以及通道的采樣周期，然后啟動ADC轉換。在轉換結束后，將3路傳感器的值存儲在一個數組中，然后通過CAN總線傳輸到操作控制器中，再通過RS232通信傳輸到人機界面進行顯示。采樣以一定的周期進行，數組中的數值定期被覆蓋更新，保證人機界面上顯示的始終是傳感器的當前值。

5 試驗調試

5.1 通信試驗

為了能夠直觀地看到模擬信號在控制器之間的傳輸，本文在RS232＿RX、RS232＿TX和CAN＿RX、CAN＿TX通信線中設置了二極管，同時專門設計了一個用限流電阻和發光二極管組成的測試工裝電路來對當前執行 的動作進行輔助觀察。當需要查看傳感器當前值時按下查詢按鈕，此時通信線上的二極管閃爍，測試工裝電路的二極管長亮且蜂鳴器響，表明通信正常。

5.2 顯示試驗

在傳感器處于工作狀態期間按下查詢按鈕時，控制器會將調試的結果顯示出來，當按下升柱鍵或降柱鍵時，人機界面上顯示當前的立柱的壓力信號，當按下拉架或者推溜鍵時，人機界面上顯示推移千斤頂的位移。控制器信號采集試驗顯示結果如圖4所示。

圖4 控制器信號采集試驗顯示結果

［1］程居山 .礦山機械 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1997

［2］王國法，朱軍，張良等 .液壓支架電液控制系統的分析和展望 ［J］.煤礦開采，2000（6）

［3］王瑞福 .單片機測控系統大全 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999

［4］張雪鋒.SAC型液壓支架電液控制系統在耿村煤礦的應用 ［J］.中國煤炭，2012（12）

［5］曹犇.國產液壓支架的研制與發展 ［J］.中國煤炭，1998（9）

Design and test of signal acquisition system about hydraulic support electro-hydraulic controller

Zhang Mingmin1，2，Xia Peng1，Cui Yabin1，Liu Yongqi1，Wang Yanyan1
（1.School of Mechanic Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，
Haidian，Beijing 100083，China；2.Fenxi Ruitai Coal Investment Co.，Ltd.，Shanxi Coking Coal Group Co.，Ltd.，Jinzhong，Shanxi 031500，China）

The current situation of the development of electro-hydraulic control technology about hydraulic support was expounded，and the design and the structural function of the electrohydraulic controller for hydraulic support was introduced.In addition，the design of hardware and software of signal acquisition system of electro-hydraulic controller was introduced in detail，and then debugging test showed that the design has reached desired requirements.

hydraulic support，electro-hydraulic controller，signal acquisition system，sensor

TD67

A

張明敏 （1963-），男，山西呂梁人，高級工程師，中國礦業大學 （北京）機電與信息工程學院在職博士生，山西焦煤汾西瑞泰能源集團有限責任公司黨委書記。

（責任編輯 路 強）