CAN 數據總線在液壓支架電液控制系統中的應用研究

梁里鵬

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

液壓支架是煤礦井下用于巷道支護的機械設備，集機、電、液于一體，其工作的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業的效率和安全性。由于井下地質條件較為復雜，液壓支架在支護過程中需要根據采煤機綜采作業的進行不斷調整支護狀態，以避免出現支護失穩現象，從而保證采煤機綜采作業的順利進行及巷道的穩定性。目前多數支架由于缺乏集中的控制系統，在井下進行調整時均需要人工控制，這樣不僅效率低而且調整的精度差，無法滿足井下采煤機高效綜采作業的需求。

提升井下綜采作業效率的關鍵在于實現綜采工作面液壓支架的跟機自動運行控制，整個過程中涉及支架的升柱、降柱、推溜、拉架等，對支架的調整反應靈敏性及精度要求較高。本文提出了一種新的基于CAN 數據總線電液控制系統，對該控制系統的整體結構組成、控制原理及應用情況進行了分析。

1 電液控制系統

為了滿足液壓支架的跟機自動運行控制及其他條件下的自動化調整需求，本文提出的液壓支架電液控制系統采用了三級控制體系，其整體結構[1]如圖1 所示。

由圖1 可知，該液壓支架電液控制系統主要包括地面上位機、井下下位機及感知層三級控制部分。上位機系統位于地面控制中心，主要包括視頻監控、遠程操作臺、數據庫、人機界面等模塊，用于顯示井下液壓支架的狀態參數及采煤機的綜采位置信息，還能夠通過遠程操作臺對井下液壓支架的支護狀態進行調整，從而提高緊急情況下對液壓支架調整的可靠性。

圖1 液壓支架電液控制系統結構示意圖

下位機主要指設置在井下順槽內的一個監控主機，主要用于信息存儲、數據分析和監測，能夠匯總各個液壓支架控制器的數據信息，對各個支架的支護狀態進行分析，同時能夠將上位機傳輸過來的控制信號轉換為支架的調整信號，從而控制液壓支架的狀態。

感知層主要是指設置在液壓支架上的各類傳感器信息，包括紅外線定位傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、視頻監控系統等，主要用于對液壓支架的支護狀態、支架和采煤機的位置關系等進行判斷，提高對支架運行狀態監測的準確性。

該系統內各個單元之間的數據傳輸主要通過CAN 數據總線結構來完成，該結構具有數據傳輸速度快、抗干擾性強的特點，能夠確保井下惡劣環境中數據傳輸的效率和可靠性。

2 數據通信系統

該液壓支架電液控制系統需要滿足對井下液壓支架組的集中監測和控制需求，在同一時間段內所涉及的監測信息量巨大，系統需要對所有監測信息進行快速確認和分析，并及時對各液壓支架的運行狀態進行判斷和調整，因此對數據通信系統的要求極高，不僅需要滿足短時間內大量數據通信的需求，還需要滿足抗干擾和數據傳輸效率的需求。

因此，為了滿足數據通信系統兼容性及穩定性的需求，在系統中設置了雙通信回路，以CAN 總線為核心滿足主機和支架控制器間的數據通信需求，該數據通信系統整體結構[2]如圖2 所示。

圖2 數據通信系統結構示意圖

由圖2 可知，在該數據通信系統中，各個支架控制器之間采用了RS485 通信模式，能夠提高支架控制器間的數據通信效率和響應速度；在架間通信線路中包括光耦隔離、防高壓侵入保護線路、斯密特觸發反相器等，能夠將漸變的數據信號轉換為清晰、穩定的數據信息。

支架控制器、巷道主機、地面控制中心之間的數據則需要通過CAN 數據總線進行通信，所使用的數據總線具有雙屏蔽功能[3]，可滿足井下復雜環境中的抗干擾需求，同時在通信電纜中增加了集成隔離轉換器，可實現對數據通信的隔離保護，提高數據通信的可靠性。

3 CAN 總線控制系統邏輯

為了滿足液壓支架在不同情況下的智能控制需求，依據各液壓支架的動作執行順序，提出了“支架控制器就地控制為主，遠程干預控制為輔”的控制邏輯。支架控制器的就地控制主要是依靠井下順槽控制中心的人機交互界面進行，向對應的支架發出調節控制指令，從而實現液壓支架的單機、支架組的聯動運行控制。

遠程干預控制[4]主要是指地面控制中心的控制人員根據井下的實際情況，發出支架調節控制指令，實現對支架支護狀態的實時調整，同時支架控制器將液壓支架工作時的壓力、采煤機位置等數據信息實時進行匯總分析后上傳到地面控制中心，從而滿足對液壓支架組運行狀態的遠程監控和調整的需求。

根據液壓支架的實際控制需求，支架控制器處于該控制系統的核心地位，需要滿足數據信息匯總、分析、調整、轉換等需求，因此對支架控制器結構進行了優化，提高了支架控制器的模塊化程度，設置了多個標準數據接口，能夠根據支架控制的實際需求進行快速調整，各個接口均采用標準通用數據通信協議，能夠滿足數據的快速傳輸需求。該支架控制器的整體結構如圖3 所示。

圖3 支架控制器硬件結構

由圖3 可知，支架控制器的各個控制單元均為模塊化布置，一個模塊單元的失效不會影響整個支架控制器的使用，因此能夠進行快速更換和調整，極大地提升了支架控制器在井下復雜環境條件下的使用可靠性和經濟性。

4 應用效果分析

為了對該電液控制系統的實際應用效果進行分析，在井下對優化前后的支架運行情況進行監控。采用新的智能控制系統后，能夠實現對液壓支架支護姿態、支護壓力等的智能監控、報警；當井下由于礦壓波動、綜采擾動、液壓支架泄漏等導致支架支護壓力下降時，系統能夠自動進行補壓，從而保證了在整個支護過程中的支護力，避免了支護失穩；支架控制系統能夠實現對液壓支架與采煤機相對位置的精確判斷，從而控制支架井下收放護幫板、自動移架等。將單個支架的姿態調整時間由最初的18.7 min 降低到了目前的10.34 min，將支架調整時間降低44.7%；將液壓支架調整時的精度由±20 mm 提升到了±3.08 mm，顯著提升了支架的自動調節精確性，為實現井下綜采工作面的智能綜采作業奠定了基礎。井下液壓支架支護結構如下頁圖4 所示。

圖4 液壓支架支護結構圖

5 結論

1）液壓支架電液控制系統主要包括地面上位機、井下下位機及感知層三級控制部分，該系統通過CAN 數據總線結構，實現了數據的高速、高可靠性傳輸。

2）各個支架控制器之間采用了RS485 通信模式，支架控制器、巷道主機、地面控制中心之間的數據通信則需要通過CAN 數據總線通信，能保證整個控制系統數據傳輸的效率和精確性需求。

3）新的控制系統能夠將支架調整時間降低44.7%，將調整精度提升84.6%，對提升井下支架的智能控制效果具有十分重要的意義，為實現井下綜采工作面的智能綜采作業奠定了基礎。