液壓支架電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

侯茂森

（山西焦煤西山煤電杜兒坪礦， 山西 太原 030000）

引言

目前以液壓油缸為主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓支架大多采用電液控制方式實(shí)現(xiàn)單個(gè)及成組支架的移動(dòng)、升降柱、梁體及護(hù)幫伸縮等操作，因此相應(yīng)電液控制系統(tǒng)的性能及可靠性對(duì)于提高液壓支架自動(dòng)化控制水平至關(guān)重要[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的電液控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多沿用國(guó)外成熟技術(shù)，通信方式均采用以串口及CAN 總線為主的有線通信，不僅布線存在困難，同時(shí)在惡劣環(huán)境下電纜磨損嚴(yán)重，系統(tǒng)通信質(zhì)量及數(shù)據(jù)采集可靠性不高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文引入Zigbee 無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種采用CAN 總線+Zigbee 組合通信網(wǎng)絡(luò)的液壓支架電液控制系統(tǒng)，有效提高了系統(tǒng)通信可靠性，并通過(guò)MCU 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的動(dòng)作時(shí)間、速度及工作方式的自動(dòng)控制，從而提升綜采面的無(wú)人化及智能化程度，有效提高綜采面的工作效率及安全性。

1 電液控制系統(tǒng)總體方案

1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能

本文所設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)主要通過(guò)MCU 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的自動(dòng)控制，采用壓力、位移及紅外等各類傳感器對(duì)支架運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制算法及控制指令下達(dá)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)分析功能。具體功能介紹如下：

1）單架控制功能。系統(tǒng)可通過(guò)單臺(tái)支架的獨(dú)立MCU 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)本架或鄰架的升降柱、護(hù)幫及梁體伸縮、推溜及移架等基本操作的自動(dòng)控制，即按下上位機(jī)操作臺(tái)按鈕后液壓支架可按照既定順序依次執(zhí)行降柱、移架、升柱等動(dòng)作。

2）成組支架控制功能。系統(tǒng)可對(duì)一組液壓支架進(jìn)行編組設(shè)置，并選取其中一臺(tái)支架為主控支架通過(guò)其控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)該組支架的整體動(dòng)作控制。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)可通過(guò)紅外傳感器實(shí)時(shí)判斷采煤機(jī)位置，并通過(guò)位移及壓力傳感器對(duì)支架推移量及頂板壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集反饋。

4）自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)可根據(jù)各類傳感器所反饋的采煤機(jī)位置及油缸壓力等數(shù)據(jù)對(duì)液壓支架執(zhí)行自動(dòng)跟機(jī)及自動(dòng)補(bǔ)壓等控制操作。

5）智能上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。上位機(jī)可對(duì)液壓支架運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)直觀顯示，并通過(guò)控制算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印等功能。

6）具備急停閉鎖及故障報(bào)警功能。系統(tǒng)可對(duì)處于固定狀態(tài)的支架執(zhí)行閉鎖操作；當(dāng)支架遇到故障時(shí)，可立即停機(jī)并發(fā)出報(bào)警，并對(duì)故障事件進(jìn)行存儲(chǔ)及分析。

1.2 液壓支架電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文在傳統(tǒng)電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用Zigbee 通信作為各支架控制器與上位機(jī)的主要通信方式，可有效解決采用有線通信所引起的布線困難及通信可靠性低的問(wèn)題，同時(shí)為保證系統(tǒng)通信的可靠性，系統(tǒng)將CAN 總線作為備用通信方式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1 所示。

由圖1 可知，系統(tǒng)端頭支架控制器采用以太網(wǎng)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，由Zigbee 節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各支架數(shù)據(jù)及指令的傳輸。CAN 總線作為備用通信通道當(dāng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)即可啟用，通過(guò)該組合通信模式可有效提高監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性及靈活性[4]。位于各支架的采集單元由紅外、位移及壓力等傳感器組成，可實(shí)時(shí)采集支架運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)及各控制器的配合可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)及成組支架的自動(dòng)控制。

圖1 電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 電液控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

液壓支架電液控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括MCU 主控器、數(shù)據(jù)采集單元及通信單元的選型及設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)采集單元主要由油壓、位移及紅外傳感器組成，用于實(shí)時(shí)采集液壓油缸壓力、支架行程以及采煤機(jī)位置等核心運(yùn)行參數(shù)，通信單元由Zigbee 無(wú)線通信模塊、CAN 總線通信模塊及以太網(wǎng)通信模塊組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了保證系統(tǒng)硬件靈活性，本文選用體積較小的STM32F103C8T6 型MCU 作為主控器安裝于各支架上，其內(nèi)部多達(dá)80 個(gè)快速I/O 接口及多個(gè)不同類型的通信接口，可滿足系統(tǒng)的接口資源及通信需求。由上位機(jī)下達(dá)的急停及閉鎖信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入電路輸入至MCU 中進(jìn)行相應(yīng)操作，控制指令通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出電路輸出至以電磁閥為主的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作的執(zhí)行。

數(shù)據(jù)采集單元由各類傳感器組成，是實(shí)現(xiàn)支架運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及參數(shù)反饋的重要部分。其中紅外傳感器由發(fā)射器及接收器組成，分別安裝于采煤機(jī)機(jī)身及液壓支架上，系統(tǒng)通過(guò)反饋的采煤機(jī)位置控制液壓支架執(zhí)行自動(dòng)跟機(jī)等操作。位移傳感器主要用于實(shí)時(shí)采集液壓支架的行程量數(shù)據(jù)，為保證測(cè)量精度，本文選用HDM-GJ 型礦用液壓油缸磁致伸縮傳感器進(jìn)行支架位移數(shù)據(jù)采集，其測(cè)量范圍為 50～2 000 mm，遲滯＜±0.002%F.S.，分辨率可達(dá)0.05 mm。

由于位移傳感器及油壓傳感器所采集的數(shù)據(jù)輸出為 4～20 mA 電流信號(hào)，而 STM32 系列 MCU 的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口僅支持0～3.3 V 電壓信號(hào)，因此需要模擬量調(diào)理電路對(duì)所輸入的電流信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，得到MCU 可識(shí)別的電壓信號(hào)，相應(yīng)轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。

圖3 模擬量調(diào)理電路

作為本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)，選擇高性能的Zigbee 通信模塊是保證系統(tǒng)通信可靠性的關(guān)鍵。本文Zigbee 通信模塊型號(hào)選用WLT2408NZ，其信號(hào)傳輸距離高達(dá)500 m，最高信號(hào)傳輸速率為1 Mbit/s。WLT2408NZ 的接口類型為三線制串口，可無(wú)需任何外圍電路即可與MCU 實(shí)現(xiàn)直連，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性及抗干擾性。

3 電液控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于本文所設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)采用STM32 系列MCU 作為控制核心，相應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Keil software 公司的Keil MDK 嵌入式編程平臺(tái)。首先系統(tǒng)控制方式分為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制及就地手動(dòng)操作兩種模式，控制對(duì)象為單個(gè)液壓支架或成組支架，當(dāng)系統(tǒng)選擇自動(dòng)控制模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)自動(dòng)執(zhí)行跟機(jī)、補(bǔ)壓等操作。當(dāng)切換至急停或閉鎖模式或手動(dòng)按下相應(yīng)按鈕后即對(duì)液壓支架執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，系統(tǒng)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 電液控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)采用有線通信的電液控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將Zigbee 無(wú)線通信作為系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，并以CAN 總線作為備用通信設(shè)計(jì)了一套基于MCU 控制的液壓支架無(wú)線電液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可實(shí)現(xiàn)單個(gè)或成組支架的移架、升降柱等基本動(dòng)作的自動(dòng)控制，具備支架運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警診斷等功能，有效提高了液壓支架控制的自動(dòng)化及智能化水平。