煤礦液壓支架電液控制系統研究

左勝輝

(西山煤電集團有限公司 東曲礦多經公司更新廠，山西 古交 030200)

0 引言

隨著計算機技術與自動控制技術的快速發展，對煤炭開采自動化技術的研究逐漸得到行業專家的重視。液壓支架作為煤礦生產的重要設備之一，提高其電液控制系統的機械化與自動化技術水平對煤礦的生產效率與工人的人身安全有著重要意義。

目前國內已有的液壓支架電液控制系統產品起步較晚，僅有少部分產品在國內煤礦投入使用，大部分控制器仍依賴國外進口，國外產品存在通訊協議保密、供貨較慢等問題。為打破國外壟斷，研發出控制性能好、可靠性高的國產液壓支架電液控制系統具有重要的現實意義。

1 電液控制系統分析

液壓支架電液控制系統是基于多種先進技術實現的新一代控制系統，包括自動化技術、軟件技術、通訊技術及驅動技術等。該系統可實時對采煤設備和液壓支架進行參數監測與在線控制，進一步提高采煤工作的安全性與效率。

1.1 系統組成

液壓支架電液控制系統主要由電源箱、計算機、網絡變換器、支架控制器、傳感器、采煤設備位置信息接收機、隔離耦合器、電纜、電液閥組等多個部分組成。支架控制器是整個系統的關鍵部件，控制器得到控制信號后執行程序，從而使支架中的部件上升或下降。支架的自動控制過程依賴于各傳感器傳輸的采煤設備位置及支架狀態等信息。

1.2 工作原理

整個電液控制系統由電控與液壓兩部分組成。電控部分是一種多級控制系統，每級都可實現相應的功能，因此由多個層級構成的系統具備多個功能與良好的可擴展性，隨著層級的增加，其功能也更為強大。液壓部分則指電液閥組，閥組中采用主動換向閥取代了傳統的手控閥，且可通過電磁先導閥對換向閥進行控制。因此，電液控制系統可利用電磁先導閥實現對液壓部分的控制。

支架控制器通過電纜連接成整體通信網，系統利用CAN總線通信技術實現采煤數據的傳輸。監控計算機可接收并儲存傳感器采集的采煤設備相關數據信息，以實現支架的實時狀態監測，并發出控制信號調節支架工況。圖1為電液控制系統總體結構示意圖。

圖1 電液控制系統結構圖

2 電控系統設計

2.1 總體設計

本文所設計的電控系統分為三個層級，分別為主機監控、端頭控制及支架控制。

主機可對采煤設備的運行狀態和參數進行實時監控，工作人員在地面即可掌握設備的運行工況，節約了工作量的同時也保證了人身安全。主機的存儲數據功能可方便工人查看異常信息。

端頭控制作為中間層級，將主機與支架控制器連接起來。端頭控制部分接收到支架控制器中傳感器采集的信息后，進行處理并上傳到主機；同時其也可將主機發出的控制信號傳輸到支架控制器，實現對液壓支架的自動控制。

支架控制是整個電控系統的核心，既可用于控制液壓支架的動作，也可將傳感器采集的信號傳輸至端頭控制部分和主機。本文設計的支架控制器采用芯片C8051F020，每個控制器包括兩個芯片，電路中包括I2C鍵盤、LCD顯示、閉鎖急停、RS485通訊、驅動、數據存儲等功能。支架控制系統原理如圖2所示。

圖2 支架控制系統原理圖

2.2 硬件設計

支架控制器的硬件電路主要包括控制電路和IO電路，每個電路的控制芯片均采用C8051F020型單片機。控制電路的主要功能是采集設備數據并根據控制信號執行動作指令，IO電路的主要作用是實現人機交互，工作人員可通過IO電路輸出控制信號或查看設備的實時狀態信息，控制電路與IO電路通過SPI通訊網絡連接，兩個電路的多個模塊構成了支架的電控系統。本文所設計的硬件電路采用模塊化設計，兩個電路包括的主要模塊如表1所示。

表1 硬件電路主要模塊

本文所設計電控系統利用12 V直流電源為支架控制器供電，電源模塊可將12 V轉換為5 V或3.3 V等合適的電壓維持芯片或各模塊的正常工作。

2.3 軟件設計

軟件的設計決定了控制效果的好壞。本節基于上一小節的功能模塊設計了電控系統的控制邏輯，以保證控制器的控制性能和實用性。IO電路程序采用匯編語言進行編寫。而控制電路采用C語言進行編程。

IO電路的程序流程如圖3所示，程序開始首先進行初始化，從而對芯片引腳和存儲空間等資源進行優化分配，隨后進入主程序，主要包括對急停和閉鎖的標志位進行判斷、鍵盤掃描和綜合判斷等。控制器正常運行時會進行鍵盤掃描，以判斷是否有控制信號輸入。當工作人員輸入特定的控制指令時，鍵盤掃描會將對應指令代碼存入寄存器，隨后進行綜合判斷，判斷后通過SPI通訊將相應的控制指令發送到控制電路，進入下一個初始化循環狀態。當給工作人員發出急停或閉鎖指令時，程序會進入急停或閉鎖子程序，子程序執行結束時會對急停或閉鎖的標志位進行判斷，進入等待循環狀態，直到工作人員發出解除指令，程序結束等待循環狀態進入主程序。

圖3 IO電路程序流程圖

控制電路程序的主要功能包括進行多種控制方式的轉換、得到IO電路的控制信號進行動作執行等。其主要控制方式包括就地手動控制、遠程控制及集中控制。就地手動控制即在支架控制器上進行直接操作；遠程控制指通過主機或端頭進行操控；集中控制指通過對采煤設備、支架狀態等信息進行實時監控，將這些信息反饋到主機軟件，實現對液壓支架的自動控制。當遠程或自動控制出現問題時，可通過手動控制方式及時糾正錯誤。程序控制邏輯中應設置就地手動控制方式為最高優先級，以保證液壓支架電控系統的安全性。

3 結束語

液壓支架是礦井采煤工作面的關鍵設備，其電液控制系統對礦井的生產效率與工人人身安全具有重要意義。為打破國外壟斷和提高控制性能，本文對液壓支架電控系統進行了詳細分析，并對該系統的硬件與軟件進行了設計。隨著電控系統在國內煤礦逐步得到推廣使用，國內煤礦的生產效率與人身安全會得到顯著提高。