液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王瑞彪

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電修造園區(qū)科技發(fā)展分公司， 山西 太原 030024）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面的重要設(shè)備之一，分布于整個(gè)綜采工作面，主要完成采空區(qū)的支護(hù)工作，即在采煤機(jī)后方，液壓支架完成降柱、抬底、移架、落底、升柱、伸護(hù)幫以及推溜動(dòng)作，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)將刮板輸送機(jī)向工作面方向推進(jìn)一個(gè)步距；在采煤機(jī)前方，液壓支架完成收護(hù)幫動(dòng)作，為采煤機(jī)截割煤壁留出空間[1]。為提升綜采工作面生產(chǎn)效率，研究液壓支架電液控制系統(tǒng)使得液壓支架能夠根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置，自動(dòng)完成各種動(dòng)作，同時(shí)配合采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)完成采煤任務(wù)。液壓支架電液控制系統(tǒng)是集機(jī)械、液壓以及電氣為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，英國道梯公司最早提出并研究液壓支架電液控制系統(tǒng)，并形成以控制先導(dǎo)閥為目標(biāo)的控制體系，并將按鈕式微控制液壓系統(tǒng)應(yīng)用于美國的坎賽爾煤礦；德國研制的Panematic2E、Paner2-matic2S5、PM2、PM3 以及PM4 等支架電液控制系統(tǒng)在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用；日本三井三池、波蘭EMA 以及法國、美國等也先后研制出可靠、功能較完善的液壓支架電液控制系統(tǒng)[2-5]。國內(nèi)的北京煤機(jī)廠、鄭州煤機(jī)廠、煤科總院太原分院等也相繼研制出液壓支架電液控制系統(tǒng)，并在大同礦務(wù)局、邢臺(tái)煤礦以及神東煤礦得到廣泛的應(yīng)用[6]。為進(jìn)一步增強(qiáng)液壓支架電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及適應(yīng)性，基于單片機(jī)控制技術(shù)，完成液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)主要完成操作支架的所有動(dòng)作，如升/降立柱、推溜、移架、拉架等。操作者通過支架控制器的按鍵發(fā)出控制命令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的單架控制、臨架控制、成組控制、就地閉鎖、緊急停止等。液壓支架控制器通過獲取傳感器組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，結(jié)合液壓支架控制器存儲(chǔ)參數(shù)，作為控制液壓支架的條件。操作者通過液壓支架控制系統(tǒng)，可完成對(duì)液壓支架控制過程的功能設(shè)置和參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)信息多樣且可調(diào)，使液壓支架控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。操作者通過液壓支架控制系統(tǒng)可查看液壓支架狀態(tài)信息，如控制（工作）狀態(tài)、故障錯(cuò)誤信息、設(shè)置及參數(shù)值、檢側(cè)值以及控制器本身的某些運(yùn)行參數(shù)等。液壓支架控制器有LED 字符顯示窗口，各種LED 狀態(tài)顯示及蜂鳴器作為信息媒體，使系統(tǒng)與操作者之間得到良好的溝通。液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖見圖1 所示，根據(jù)綜采工作面的長(zhǎng)度，配置支架控制器個(gè)數(shù)。支架控制器獲取傳感器組數(shù)據(jù)并經(jīng)邏輯處理后，控制器電液換向閥進(jìn)行控制液壓支架執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。支架控制器之間以RS485進(jìn)行通信，并經(jīng)耦合器后與井下主機(jī)、井下交換機(jī)相連，最終以TCP/IP 通信模式將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面主控計(jì)算機(jī)。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)中支架控制器主芯片選用C8051F020 高性能處理芯片，一個(gè)機(jī)器周期只由一個(gè)時(shí)鐘周期組成，可執(zhí)行一條指令；該芯片允許擴(kuò)展中斷源，可擴(kuò)展至22 個(gè)；片內(nèi)資源包括8～12 位多通 道ADC，8～64 個(gè) 通 用I/O 口，2 個(gè)UART 以 及Flash、RAM、片內(nèi)時(shí)鐘、看門狗等，滿足支架控制器設(shè)計(jì)要求。電液控制系統(tǒng)中所用的關(guān)鍵傳感器主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 液壓支架電液控制系統(tǒng)主要傳感器技術(shù)參數(shù)

液壓支架電液控制系統(tǒng)的電源為雙路DC12 V電源，由AC85V-AC265V 電源經(jīng)A/C 開關(guān)電源模塊以及過壓、過流保護(hù)電路處理后，輸出DC12 V 電源，保證電液控制系統(tǒng)的正常供電。雙向隔離耦合器主要用于對(duì)支架控制器之間的RS85 以及SPI 通信信號(hào)進(jìn)行電氣隔離和信號(hào)耦合，保證電液控制系統(tǒng)通信質(zhì)量。

3 軟件設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)的軟件采用C+匯編語言編程實(shí)現(xiàn)，在KeilC51 軟件中完成控制系統(tǒng)的軟件程序編寫，在proteus 軟件平臺(tái)搭建硬件實(shí)現(xiàn)電路并進(jìn)行仿真。圖2 所示為液壓支架控制系統(tǒng)軟件主流程，在完成系統(tǒng)初始化以及資源配置后，執(zhí)行鍵盤掃描程序，巡檢是否有按鍵按下。如果有按鍵按下，則執(zhí)行按鍵功能子程序；如果沒有按鍵按下，則檢查中斷信號(hào)，是否需要執(zhí)行中斷子程序。液壓支架電液控制系統(tǒng)的中斷子程序包括模式切換、單架控制、臨架控制、成組控制、集中控制以及遠(yuǎn)程控制中斷子程序。圖3 所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)采集軟件流程，為完成液壓支架動(dòng)作，支架控制器需要實(shí)時(shí)采集壓力、位移、紅外以及傾角傳感器的模擬量信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換以及軟件濾波后，進(jìn)行邏輯處理，控制電液換向閥動(dòng)作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室完成液壓支架電液控制系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括單架單動(dòng)作控制、鄰架單動(dòng)作控制、鄰架聯(lián)動(dòng)控制、成組自動(dòng)控制、急停/閉鎖控制以及聲光報(bào)警控制等。利用液壓支架控制人機(jī)界面對(duì)液壓支架進(jìn)行操作，經(jīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)和分析，該電液控制系統(tǒng)能夠較好地完成液壓支架控制。

圖2 液壓支架控制系統(tǒng)軟件流程

圖3 模擬信號(hào)采集軟件流程

5 結(jié)語

針對(duì)綜采工作面液壓支架分布數(shù)量較多，電液控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性較差的問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)基于C8051F020 芯片的液壓支架電液控制系統(tǒng)，在軟件實(shí)現(xiàn)中設(shè)計(jì)多種控制模式，滿足液壓支架的控制要求，同時(shí)基于RS485 以SPI 完成支架控制器之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)能夠滿足綜采工作面液壓支架控制要求，保證煤礦安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。