煤礦液壓支架控制系統設計及其應用分析

楊 亮

(內蒙古煤炭科學研究院有限責任公司,內蒙古 呼和浩特 010010)

煤礦開采過程中液壓支架是非常重要的“三機”裝備之一,主要作用是對工作面頂部進行支撐,達到保護井下人員和設備的效果[1]。隨著煤礦領域技術水平的不斷提升,對液壓支架方面的要求越來越高[2]。控制系統是液壓支架的重要構成部分,作用是對液壓支架進行控制,確保液壓支架實現各項功能[3]。目前我國很多液壓支架從國外引進,使用的控制系統存在通信協議加密問題,破解難度很大,難以對其進行升級改造,且很多功能受限[4]。我國自主研制的液壓支架控制系統價格雖然低廉,但性能上存在很多缺陷,運行可靠性較低,容易受外部因素干擾等[5]。針對該問題,國內很多學者進行了研究。李瑞龍對以綜采工作面的液壓支架為研究對象,結合實際情況對其控制系統進行了分析與優化,進一步提升了控制系統的性能[6]。付翔等人以煤礦工作面中的供液系統及液壓支架為對象,分析了兩者之間的協調控制模型,有效提升了控制系統的運行穩定性[7]。燕鵬達同樣以煤礦液壓支架為對象,分析了設備的跟機自動智能化控制系統,并將其部署到工程實踐中,發現達到了預期效果[8]。以上關于液壓支架控制系統的研究取得了很好的效果,本文在借鑒已有研究的基礎上,以液壓支架為研究對象,對其控制系統進行深入分析與研究,結合煤礦實際情況設計液壓支架的控制系統,確保系統能夠滿足煤礦現代化的基本需求[9]。

1 控制系統整體方案分析

1.1 系統基本組成

煤礦液壓支架控制系統的主要結構如圖1所示。由圖1可以看出,控制系統主要包括監控主機、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅動器、電源箱、傳感器、信號轉換器、隔離耦合器等部分構成。其中,傳感器又分為很多類型,主要包括壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、測高傳感器、紅外發送器及接收器,作用是對液壓支架的運行狀態進行實時檢測,將結果反饋到控制器中,以便控制系統實施掌握液壓支架的運行狀態,為精確控制提供數據支撐[10]。支架控制器是控制系統中比較核心的構成部分,系統為每個液壓支架配備了一臺支架控制器,控制器可以對液壓支架的運行狀態數據進行采集并分析,所有控制器都進行連接,實現數據的交互[11]。同時控制器還與監控主機連接,利用監控主機可以實現煤礦工作面所有液壓支架工作狀態的監測與控制。

圖1 液壓支架控制系統的主要構成Fig.1 Main components of hydraulic support control system

1.2 系統主要功能

液壓支架控制系統的重要作用是對液壓支架的各項動作進行精確及時的控制,保障煤礦生產過程的正常推進。設計的控制系統充分發揮了計算機網絡技術的優勢,功能比較豐富,可以確保液壓支架控制過程的安全性、協調性以及便捷性。系統主要功能有:

(1)單個支架的控制。操作人員在支架控制器上,可以選擇除本支架外臨近的液壓支架作為對象進行控制。系統考慮到安全問題,限制只能選擇本支架左、右兩個相鄰支架作為控制對象,也可以根據實際需要適當增加可控對象的數量。控制過程可分為兩種類型,其一是利用按鍵控制支架的單個動作,其二是控制單個支架按照一定的順序完成復雜動作,在實現一連串復雜動作期間無需人工干預。

(2)支架成組動作的自動控制。該模式下可以在工作面上選擇一個基準支架,然后向左或向右設置一組液壓支架,具體數量可結合實際情況確定。然后下達控制指令,這組液壓支架完成設定的系列動作。與基準支架臨近的支架最先開始動作,按指令完成所有的動作后,下一個支架按指令完成相同的動作,直到本組支架完成所有動作為止。執行此控制模式時,需要在系統中預先設置一系列的動作參數和規則,保存后方可執行。

(3)支架跟隨采煤機自動控制。在此控制模式下,液壓支架完全可以實現自動化控制。需要利用可靠的檢測裝置對采煤機的位置進行實時準確的采集,利用信號轉換器將采集的信號進行轉換后,輸入到液壓支架控制系統中。系統根據采煤機的位置下達指令,控制對應液壓支架進行動作,實現液壓支架與其他主要采煤設備的聯動控制。

2 支架控制器結構方案設計

2.1 設計思路

在考慮傳統液壓支架控制系統缺陷問題的基礎上,設計的控制系統基于CAN總線進行網絡通信,對電磁驅動電路進行設計時,基于采用冗余設計的原則,并考慮過壓、過流、斷路保護等[12]。支架控制器的整體結構如圖2所示,控制器以Rabbit3000單片機為核心,利用傳感器數據采集模塊對液壓支架的運行狀態進行采集,利用電磁閥驅動模塊實現液壓支架的控制。此外,還包括左右鄰架通信、主控制器通信、人機界面通信等,以上均基于CAN總線進行通信。

圖2 支架控制器的整體結構Fig.2 The overall structure of the bracket controller

2.2 基本工作原理

對于工作面中所有的液壓支架均配備有控制器、人機交互界面、傳感器、控制電纜等硬件設施,以上硬件設施結合軟件程序可以形成一套完整的控制系統。支架控制器是液壓支架控制系統的核心部分,在支架控制器的人機交互界面可以進行操作,下達各項指令對支架進行控制[13]。指令可以通過通信電纜下達到本支架的控制器上,也可通過電纜下達到鄰架甚至遠程支架的控制器上,進而驅動各類電磁閥電路工作,完成對應動作。

2.3 功能框架

支架控制器的整體功能框架如圖3所示。由圖3可知,支架控制器不僅可以對單個支架的單個動作進行控制,還可同時對多個支架進行成組動作控制。遇到緊急情況時,可以進行急停與閉鎖,確保煤礦生產安全。針對液壓缸的壓力不足問題,可以進行自動補壓,保障液壓支架運行的可靠性。利用傳感器對采煤機的位置信息進行采集,進而實現跟機自動化動作控制功能。控制器具備自診斷功能,可及時發現自身存在的故障問題,提升液壓支架運行的穩定性。具備集控功能,所有支架控制器均接受主控制器的控制,達到集中控制的效果。

圖3 支架控制器整體功能框架Fig.3 Overall functional framework of bracket controller

3 支架控制器的硬件選型設計

3.1 主要技術指標參數及功能

(1)技術指標參數。根據煤礦環境及液壓支架控制系統的實際使用要求,支架控制器的技術指標有:額定工作電壓為12 VDC,工作電流不超過640 mA,設置有4路CAN通信端口,通信方式可采用無主式、半雙工和單極性,CAN通信端口最大傳輸距離及傳輸速率分別為50 m和33.3 Kbit/s,通信時的電壓峰值不超過5.5 V,共有3路模擬量輸入信號,2路電流為0.2～1.26 mA,1路電流為0.2～1 mA,對模擬量信號進行轉換時誤差控制在2.5%內。

(2)主要功能。設計的支架控制器具備自檢功能,能及時發現自身存在的故障問題。主要功能是對液壓支架的運行狀態進行實時監測,并對支架各項動作進行控制,還與其他支架進行數據通信。

3.2 邏輯電路設計

支架控制器的電氣原理如圖4所示。由圖4可知,支架控制器以Rabbit3000單片機為核心,加上其他外圍拓展電路。單片機拓展有SRAM和FLASH,分別作為運行空間和閃存空間,大小均為512 K,后者的主要作用是對系統內置程序及原始參數進行存放。利用CAN總線實現單片機與本機架人機界面之間的通信,與左右支架控制器及主控制器之間的通信同樣基于CAN總線方式進行。主控制器需要下達指令時可以通過廣播方式快速傳達到所有支架控制器中。控制器運行時需要利用傳感器對支架狀態,主要是壓力和行程等參數進行采集,采集結果利用A/D轉換器將模擬量信號轉換為數字量信號后,輸入到Rabbit3000單片機中進行處理。單片機根據分析結果下達指令,輸出16路數字量信號,作用在電磁驅動電路上驅動液壓支架工作。電磁驅動電路與單片機之間利用光耦隔離電路進行隔離,防止兩者之間相互干擾,影響支架控制器的運行穩定性。

圖4 支架控制器的電氣原理Fig.4 Electrical principle of bracket controller

3.3 控制器核心控制模塊設計

對于支架控制器而言,選擇合適的單片機直接影響其性能。目前市場上有很多類型的單片機,Rabbit單片機在工業領域具有一定的應用,該系列單片機專門針對中小型控制器設計,雖然體積較小,但擁有良好的性能,可以利用常見的C語言進行軟件編程設計。系統中選用的是Rabbit3000單片機,此型號單片機的最大時鐘頻率可以達到55.5 MHz,數據總線和地址總線分別為8位和20位,片選信號和讀寫控制線的數量分別為3根和2組。可以根據實際需要擴展外部存儲,最大可以擴展1 M。系統還拓展了SRAM核心模塊和FLASH程序存儲器模塊,大小全部為512 K。

3.4 控制器的通信模塊設計

已有的大量實踐經驗表明,在煤礦復雜的工況環境下利用CAN總線進行通信,具有良好的抗干擾能力、使用線纜相對較好、數據通信過程穩定等優勢,所以支架控制系中所有通信全部基于CAN總線完成。通信結構的原理如圖5所示,系統中由于使用了智能耦合器,使得CAN總線的節點約束大幅度提升,可以達到110個節點,完全能夠滿足煤礦工作面液壓支架的基本需求。在充分考慮煤礦實際情況的基礎上,設計的CAN總線共有兩條線路,分別為主干CAN總線和鄰架CAN總線,分別稱為CANBUS和CANBIDI。采用這種設計的原因是支架控制器的通信比較頻繁,采用兩條總線能使通信數據分散,兩條總線可以互為冗余,提升控制系統的運行穩定性與可靠性。

圖5 通信結構原理Fig.5 Schematic diagram of communication structure

4 控制系統的軟件程序設計

硬件部分是確保液壓支架控制系統正常運行的物質基礎,軟件程序是控制系統的“大腦”,作用是下達指令驅動各項硬件裝置運行。系統軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺上利用C語言進行開發。以下對幾種典型的軟件程序工作流程進行分析。

4.1 單個動作軟件程序流程

液壓支架工作時經常需要對某個支架單獨控制,如對某個支架進行動作檢測或調架時需采用該功能,或當工作面環境復雜、自動控制難以完成相關動作時,也需采用單個動作進行移架。單個動作是針對某個支架的某些動作進行單獨控制,為保證動作過程的安全,采用的是即按即動的模式。操作人員按下對應按鈕,液壓支架發生對應動作,松開則停止。對于比較常用的單個動作(如升降、平移、護幫等),可直接設置快捷按鈕,對于不常用的動作可以將其隱藏在輔助功能菜單中。單個動作的軟件程序工作流程如圖6所示。

圖6 單個動作的軟件程序工作流程Fig.6 Software program workflow for a single action

由圖6可知,當系統接收到單個動作預警命令時,進入從控模式。完成對應動作后,監控屏幕上顯示對應的動作過程。完成所有動作的控制后,系統退出從控模式。

4.2 成組推溜軟件程序流程

對于液壓支架控制系統而言,成組推溜是比較常用的控制功能。通常情況下就是利用該功能對礦井工作面的液壓支架進行推溜操作。利用該功能時液壓支架的數量可以根據實際情況進行設置,并不是固定不變的,通常將液壓支架控制在10～15架為宜。成組推溜的軟件程序流程如圖7所示。由圖7可知,系統接收到成組推溜預警命令后,進入從控模式。設定的液壓支架按照一定順序完成推溜動作,直到最后一個支架完成所有推溜動作后,系統退出從控模式。基本流程與單個動作的控制模式相同,但成組推溜控制模式中需要相鄰支架控制器之間進行數據交互,確保上個支架各項工作完成后,下個支架開始動作。整個動作過程中需要保證行程和壓力傳感器可以正常工作。

圖7 成組推溜的軟件程序流程Fig.7 Software program flow for group push sliding

4.3 自動移架軟件程序流程

當煤礦工作面的工作環境比較好時,液壓支架控制系統可以自動完成移架動作。系統中為了確保移架過程的安全性,采用自動移架程序時,只能對左、右相鄰支架進行控制,并且在執行自動移架流程時,必須確保臨近支架具備充足的支撐力。

在確保支撐壓力滿足要求的前提下,執行成組自動降—升—移動作,通過條件判斷移架動作完成后,開始實施噴水動作、收縮梁動作以及降柱動作。系統需判斷整套動作是否在規定時間內完成,若超過規定時間需分析產生超時的原因,在確保安全的情況下才能開展后續動作。

5 控制系統的應用測試研究

為了驗證煤礦液壓支架控制系統的正確性和可靠性,根據上文設計的系統方案,將其應用到煤礦工程實踐中,該工作面中使用的液壓支架型號為ZFS3300。系統正式投入應用前,對其各項功能進行了現場測試。為測試通信網絡對數據傳輸過程的效率和質量,對通信網絡進行了測試,結果如圖8所示。由圖8可知,隨著數據發送間隔的不斷延長,數據傳輸速度逐漸降低。測試過程還發現,數據發送間隔越長則數據傳輸穩定性越好。因此,在綜合考慮數據傳輸速度和穩定性兩方面因素的基礎上,將數據發送間隔確定在10～15 ms。

圖8 數據幀發送間隔對數據傳輸速度的影響Fig.8 Influence of data frame sending interval on data transmission speed

測試期間在系統中輸入不同的模擬控制信號,結果發現液壓支架控制系統可以正確地根據指令完成升降、移動等各項動作,同時在主監控系統中能實時觀察到液壓支架的運行狀態。為測試控制系統的故障報警性能,測試期間將2號液壓支架的立柱缸壓人為降低,結果發現系統能及時發現壓力降低問題并故障報警,同時下達指令對設備進行停機處理。利用人工方式對5號液壓支架控制器進行離線操作后,系統可以在3 s內發現問題并下達指令進行聲光報警,同時在控制界面實時顯示5號液壓支架的離線故障問題。基于現場測試結果,發現設計的液壓支架控制系統各項功能都能穩定實現,具有較高的可靠性。完成測試工作后,控制系統正式投入使用,截至目前系統在工程中的應用時間超過1年。期間系統整體運行良好,為ZFS3300型液壓支架的穩定運行奠定了良好的基礎。支架控制器的現場圖片如圖9所示。

圖9 支架控制器的現場圖片Fig.9 Field pictures of the bracket controller

6 結論

以煤礦工作面“三機”裝備之一的液壓支架為研究對象,對其控制系統進行了詳細設計,并將其部署到工程實踐中,應用效果良好。

(1)控制系統包括監控主機、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅動器、電源箱、傳感器、信號轉換器、隔離耦合器等部分,可實現單個支架控制、支架成組動作自動控制和支架跟隨采煤機自動控制等功能。

(2)支架控制器以Rabbit3000單片機為核心,利用傳感器采集模塊實時收集液壓支架的工作狀態,基于電磁閥驅動模塊實現支架各項動作的有效控制。軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺上利用C語言進行開發,分析了單個動作、成組推溜和自動移駕的軟件程序流程。

(3)將設計的控制系統應用到ZFS3300液壓支架中,經現場測驗發現各項功能都能夠實現,整體運行良好,對于出現的故障問題能及時進行故障報警。