基于CAN 總線的礦用液壓支架控制系統的設計

高 雄

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司技工學校， 山西 太原 030000）

引言

礦用液壓支架是煤礦開采設備中的核心支撐設備，保證其自動化調整及操作，提高設備的作業效率，成為當前企業重點考慮方向[1]。當前，液壓支架中普遍安裝了控制系統，但由于井下環境的惡劣性，易受外部較大干擾信號影響，導致部分企業采用的控制系統使用了國外進口系統，在設備購買、維護等方面具有較高的費用。當前的液壓支架控制系統中電纜暴露在井下環境中，存在線路布局復雜，線路磨損程度較大，系統的整體自動化、智能化程度相對較低[2]。針對此問題，有必要對液壓支架的控制系統進行升級設計。

1 液壓支架結構組成分析

礦用液壓支架是煤礦生產中的重要支撐設備，根據其支撐類型，可將其分為掩護式、支撐式、支撐掩護式等形式，而根據煤層的厚度，可將其分為薄煤層、中煤層、大采高支架等形式，但無論何時結構類型，其設備的結構組成主要包括頂梁、掩護梁、立柱、連桿、底座、護幫板、推移千斤頂等部件[3]，其結構組成示意圖如圖1 所示。其中，頂梁主要負責對工作面頂板進行支撐，保證整個工作面的安全空間；立柱則主要將頂梁的作用力傳遞至底座上，并實現頂梁不同高度的調節，底座則主要與工作面底板進行接觸，并將支撐力通過立柱傳遞至頂梁上，實現頂梁與底座支架的作用力和反作用力的相關傳遞[4]。推移千斤頂主要負責液壓支架及刮板輸送機的前行移動。在這過程中，液壓支架的所有運動，均需相應的穩定的控制系統進行電氣保障，保證液壓支架電氣控制系統具有較高的穩定性、可靠性，實現液壓支架智能化遠程控制，成為企業提高井下作業效率、降低成本的重要考慮方向。

圖1 液壓支架結構組成示意圖

2 控制系統總體方案設計

以當前礦用液壓支架控制系統為設計基礎，開展了基于CAN 總線的礦用液壓支架控制系統升級研究。所設計的控制系統主要由PRA 壓力傳感器和PR11 型位移傳感器、STM32F1 型微控器、電源控制模塊、遠程監控中心、工控機、顯示器、交換器、CAN總線等組成。終端的各類傳感器首先對液壓支架作業過程中的關鍵參數進行實時顯示，通過模擬量采集電路，將采集的信號經過濾波和信號放大處理后，轉換為微控器能識別的電信號，在微控器中進行數據分析、處理、判斷后，將信號傳輸至工控機中進行信號的實時顯示，當設備處理故障問題時，該顯示界面能通過聲光報警方式進行故障問題及故障發生位置的顯示[5]。而系統的元器件供電則采用了專門的電源控制電路進行電壓轉換。整個控制系統中，各部件之間則主要通過CAN 總線和以太網方式進行通訊連接，井上監控中心與順槽遠程監控中心之間則通過無線和CAN 總線方式，進行各類操作的遠程控制。整個控制系統的現場布線更加簡單，控制精度更高，操作更加簡潔，更好地實現了液壓支架各類操作的控制要求。液壓支架控制系統的總體框架圖如下頁圖2 所示。

圖2 控制系統總體框架圖

3 電控系統分系統設計

3.1 CPU 微控器選型設計

CUP 微控器是整個液壓支架控制系統的核心，主要負責對采集數據的分析、處理、判斷等操作，其運行性能的高效性直接影響整個控制系統的控制精度。為此，選用了市場上成熟的STM32F1 型微控器。該控制器采用了32 位的數據總線，72 MHz 的超大容量，配備了120 個的I/O 管腳，能滿足液壓支架整套控制系統的I/O 接口需求。同時，設計了16 路的數字信號轉換接口，可同時接收16 種外部信號輸入及信號的運算處理[6]。另外，控制器上配備有多個SPI 端口、異步通訊接口、CAN 總線端口等，存在空間相對較大，能同時滿足不同通訊方式對控制器信號輸入的需求，另外，控制器的靜態隨機存儲量也達到了64 kB。該CPU 微控器性能穩定可靠，其價格便宜，具有較高的數據接收及信號處理能力，已在煤礦領域的多種設備上進行了成功應用，能完全滿足液壓支架控制系統運行過程中的數據分析處理需求。

3.2 電源控制電路設計

液壓支架控制系統中，多個元器件采用了不同大小的電壓值，包括了3.3 V、5 V、12 V 等電壓平臺，而外部的電源模塊輸入的電壓平臺為24 V，無法直接用于該些元器件，為此，對電源控制電路進行了設計。在電源控制電路中，安裝了EC1 極性電容和C5電容，主要負責對輸入的電壓進行濾波處理和高通濾波，經過處理后，再將電源值輸入至電源模塊中。其中，該控制電路中，采用了XZR05 型電源轉換模塊其額定功率為6 W，能快速將高電壓值轉換為所需的5 V 電壓，具有防金屬屏蔽及高抗干擾性，針對電路中出現的過溫、過流等情況時，能實現較好的電流保護。另外，針對DC5V 轉3.3 V 問題，則采用了LM1085 型直流轉換模塊，通過設計的220μF 電容及極性電容，實現對轉換信號的濾波作用。整個電源控制電路原理圖如圖3 所示。

3.3 模擬量采集電路設計

圖3 電源控制電路原理圖

為實現對液壓支架工作過程的頂板壓力及千斤頂位移模擬量信號的檢測，選用了PRA 壓力傳感器和PR11 型位移傳感器。此兩種傳感器的工作電壓為DC5V，可直接運用前文的電源控制電路。而傳感器檢測到的信號則需通過專門的模擬量采集電路進行處理，輸出微處理器能識別的電信號。在此模擬量采集電路設計中，采用了LM358 的運算放大器和多個電容元件，檢測信號通過電路的左端輸入，經過電容的濾波及模擬量信號放大，實現檢測信號的放大處理。同時，設計了人76 電阻和R172 電阻，可將放大后的電壓信號進行分壓，實現信號在可識別范圍內的分壓轉換。整個模擬量采集電路的原理圖如圖4 所示。

圖4 模擬量采集電路原理圖

4 應用效果評價

在完成液壓支架控制系統的設計后，將此控制系統安裝在液壓支架設備中，進行了實際的運行測試。主要準備1 臺液壓支架、交換機、工況機、顯示器、上機位、微控器、CAN 總線、以太網連接線等，各部件之間通過CAN 總線進行通訊連接。在測試過程中，該控制系統運行良好，能穩定實現液壓支架高度調節、前后移動、急停閉鎖等功能操作，針對液壓支架使用中出現的壓力過大、移動距離不準等問題，該控制系統能及時發出相應的聲光報警，并通過顯示器進行故障類型及故障發生位置的實時顯示。同時，控制中心可通過遠程控制方式，將上機位的控制命令通過CAN 總線傳遞至執行單元，實現了液壓支架的遠程控制。在該控制系統運行4 個月期間，液壓支架的故障發生率同比降低了70%，維護人員的勞動強度也大大降低，得到了現場操作者的一致好評，為企業帶來了較大的經濟效益。