礦用液壓支架控制器的設計與實現

樊鵬飛

（西山煤電機電廠， 山西 太原 030053）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面核心“三機”設備之一，沿綜采工作面排列，用于支護采空區，與采煤機、刮板輸送機協同完成采煤任務。液壓支架控制器是控制液壓支架單機動作、多機聯動、支護功能的核心設備，具有非常重要的作用[1-2]。具有代表性的液壓支架控制器有德國的PM31、PM32、PM4，美國的RS20 等，其在實現液壓支架實時、精準控制的同時，加入故障診斷、在線檢測等功能。鄭州煤機、天地瑪珂等單位也相繼研發出了具有我國自主知識產權的液壓支架控制器，存在的主要問題如下：控制器的實時性差、控制方法單一；傳感器數據處理精度差，無法實現精準控制；通信系統不完善，故障率高。本文為適應綜采工作面智能化、信息化、少人化需求，研究并開發高可靠性、高實時性并滿足綜采工作面實際生產需求的液壓支架電液控制器。

1 總體設計方案

液壓支架控制器硬件設計總體方案如圖1 所示，中央處理器采用STM32F105 系列芯片，由最小系統擴展鍵盤、顯示、擴展RAM 等功能[3-4]。根據液壓支架控制器功能要求，外界數字量輸出接口用于控制液壓支架推溜、伸縮支護板等動作。由中央處理器擴展光電隔離電路、驅動電路后輸出模擬量信號，用于控制液壓支架電磁閥動作，同時通過安裝在液壓支架機身的傳感器將液壓支架動作數據、狀態信息反饋給中央處理器；傳感器組包括安裝在單臺液壓支架機身的油溫壓力傳感器、液位傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器、位移傳感器、外濃度傳感器等。中央處理器擴展數字量輸入信號，用于接收控制液壓支架的急停信號、閉鎖信號及接近開關信號。液壓支架控制器的供電電源為DC5V，由外部電路經DC24V轉換得到。中央處理器支持RS485、SIP 通信，完成液壓支架本體與鄰近液壓支架及液壓支架組的通信。

圖1 液壓支架控制器總體設計方案框圖

2 硬件設計

2.1 主控制器分析

2.1.1 主控制器輸入信號

在每架液壓支架機身安裝有急停信號，用于危險或者緊急情況時停止液壓支架動作。液壓支架上安裝有聯動閉鎖信號，當該信號有效時，液壓支架進行成組控制；該信號無效時，液壓支架進行單機控制。在液壓支架油缸內安裝有油缸壓力傳感器、油缸位移傳感器，用于實時監測油缸壓力及位移[5]。為確認采煤機實時位置，在每架液壓支架機身安裝紅外定位傳感器及超聲波傳感器，用于確認采煤機與液壓支架相對位置。液壓支架控制器輸入量統計見表1。

表1 主控制器輸入信號

2.1.2 主控制器輸出信號

主控制器的輸出信號包括模擬量、數字量兩種，根據液壓支架工藝流程，液壓支架需完成的動作有升降立柱、護幫伸/縮、抬底、推溜、拉架、噴霧等操作，詳細的輸出信號見表2。

表2 主控制器輸出信號

2.1.3 主控制器選型

STM32F105 系列控制器應用廣泛，其內核為ARMCortex-M3 的32 位RISC，該內核中的閃存大小為128 kB，同時其還擁有20 kB SRAM，頻率大小為72 MHz，其中含有兩條APB 總線，這兩條總線和兩個部分連接在一起，一個是增強型I/O，還有一個是外設接口。這個系列有很多種微處理器，但是所有的處理器都配備了PWM 定時器，其中還包括三個通用的定時器。除此之外，其中還含有兩個外設，分辨率是12 位。這個處理器的工作電壓范圍在2～3.6 V，其正常工作的溫度范圍為-40～+85 ℃。

2.2 主控制器電路設計

液壓支架控制器電路電源使用的是礦用本安型電源，這種電源可以輸出12 V 大小的電壓，其中需要利用D1 和D2 對于電源的導通方向進行限制，接著就會經過C9 主要的作用就是穩壓，然后是C7 主要的作用是進行濾波，最后得到的電源將會穩定在5 V 左右。其中還有一個重要的部分，即鉭電容C10，這個電容主要的作用有兩個，一個是提升穩定性，還有一個是對于其中的瞬態響應進行優化[6-7]。5 V 電壓最終轉化成3.3 V，主要是通過AS1117AR-3.3 來實現的。可以發現這個系統中一共含有兩種電壓，所以電源也將采用兩級電源的模式進行設計，從而滿足系統供電的需要。

3 軟件設計

圖2 電液控制器電源模塊電路圖

液壓支架電液控制器軟件平臺基于Keil ARM平臺實現，該平臺支持C 語言、匯編語言及多種高級語言編程，可在線完成代碼的編寫、調試及仿真[8]。按照液壓支架工藝流程，進行軟件設計時，采用模塊化設計實現，如系統初始化模塊、系統動作模塊、系統邏輯處理模塊、系統故障報警模塊、系統通信模塊等。模塊之間設計接口函數，實現模塊間的數據互通。液壓支架電液控制器軟件設計總體方案流程如圖3 所示。液壓支架電液控制器上電后，首先完成系統自檢及系統初始化工作，當系統本身無故障后，循環等待中斷處理程序。當中斷信號到達后，判斷該中斷類型，如果為串口中斷信號，則進入串口中斷處理程序；如果為鍵盤中斷信號，則進入鍵盤中斷處理程序；如果為定時中斷信號，則進入定時中斷處理程序。液壓支架各動作執行時為定時中斷信號。當中斷處理程序執行完畢后，返回并繼續等待中斷信號。為提升液壓支架電液控制器的運行速度，軟件編寫時采用C 語言與匯編語言混合編程方法實現，并通過軟件平臺完成軟件程序的單位測試、系統測試和仿真。

圖3 液壓支架電液控制器軟件設計總流程

4 試驗測試

在實驗室完成液壓支架控制器的聯合試驗與調試，連接液壓支架控制器、人機界面及隔離耦合器等模塊，基于實驗室對工作平臺進行構建，對工作面支架進行模擬，通過聯合調試，對多臺液壓支架電控系統進行了試驗。在分析液壓支架功能、設計試驗的前提下，對試驗結果進行了總結與分析，從中得出控制系統的功能與試驗設計要求相符合的結論。與此同時，電液控制系統的運行狀態趨于穩定，在可操作性、控制實時性、數據處理精度及通信等方面也具有較突出的優勢，與預期效果基本相符。

5 結語

根據煤礦井下綜采工作面實際運行狀態設計的液壓支架控制器，解決了原控制器存在的實時性差、數據處理精度差、通信功能不完善的問題，進一步強化了液壓支架控制系統的智能化、信息化水平，為綜采工作面的少人化、無人化建設提供了一種解決方案。