基于總線技術的液壓支架控制系統研究

張雪平

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架是綜采工作面最重要的設備之一，布置在整個綜采工作面上，與采煤機和刮板輸送機配合進行煤炭資源的開采。液壓支架能實現對采區頂板的支護、切頂、自移和推溜等動作，防止頂板脫落，為綜采作業提供工作空間，降低工人勞動程度，保障人員和設備安全。液壓支架的動作是依靠電液控制系統實現的，其自動化程度和可靠性對整個綜采作業面的生產效率有很大影響[1]。

1 總體方案

液壓支架的電液控制系統是由地面控制室、支架控制器主站、支架控制器從站、液壓支架、壓力傳感器、位移傳感器組成的，系統通過CAN總線進行現場通訊，實現液壓支架的整體控制，具體結構如圖1所示。

圖1 基于CAN總線的液壓支架電液控制系統結構

支架控制器是整個控制系統的核心元件，分為主站和從站，由微處理器、信息傳輸模塊、操作鍵盤組成。每個從站控制一套液壓支架，按照控制信號對液壓支架的液壓系統進行控制，完成液壓支架的各種動作，同時接收安裝在液壓支架上的傳感器信號，并將液壓支架狀態信息實時傳輸到主站，主站通過以太網與地面控制室進行通訊，將液壓支架的實時信息直觀顯示在顯示屏上，方便技術人員進行監測。當液壓支架數量超過一定數量時，需要增加CAN中繼器，保證總線的通訊質量。

2 網絡通訊總線

組建一個先進的總線通訊網絡是保證整個系統正常運行的前提條件，在井下對總線通訊的要求主要有以下四個方面。

2.1 通訊距離

井下的通訊一般采用兩級總線方式進行通訊，在規模較小時可以一級現場總線，采用光纖或同軸電纜進行多媒體信息的傳輸，要求通訊距離一般不得小于10 km。通訊距離的長短與通訊速率有關。標準的通訊速率有5 kbps、10 kbps、20 kbps，一般情況下，通訊速率為5 kbps時，通訊距離可達到10 km，特殊情況下可以選擇通訊速率2.5 kbps以延長通訊距離。根據實際情況，若要求更長距離的通訊，可以安裝一個CAN網橋，能延長一倍的通訊距離，并增加一倍的CAN-bus節點數目。通訊介質也會影響通訊距離，選用礦用阻燃電纜作為傳輸介質，可以在通訊速率為5 kbps時達到7 km左右的通訊距離。

2.2 響應時間

現場總線的響應時間主要與傳輸協議有關，協議層次越多，響應時間越慢。現場總線一般有三類：第一類是Profibus、WorldFIP等，采用 IEC61158-3，31.25kBd標準，響應速度慢，用于制造業過程監控；第二類是DeviceNet，SDS等，兼顧了模擬量變送器和執行器的數據傳送，在低通訊速率下響應速度也很快；第三類是P-Net、LonWorks等，用于一般設備自動化，響應速度低于第二類高于第一類。根據液壓支架電控系統的要求，選擇第二類或第三類總線通訊方式均能滿足要求。

2.3 本安特性

由于礦井下存在易燃易爆性氣體及粉塵，在爆炸危險性等級中屬于I型的0區和1區，因此井下設備的電氣系統都必須采取相應的防爆措施。目前國際上采用最廣的防爆措施主要有：隔爆（Exd）、本安（Exi）和增安（Exe）等，其中本安（本質安全）技術成本低、體積小、安全性高，是低壓電器中最常用的防爆技術。煤礦行業中的井下設備還需要滿足《爆炸性氣體環境用電氣設備》標準（煤安標準）[2]。在選用CAN總線傳輸設備、壓力和位移傳感器、供電電源等電氣元件時要注意滿足防爆及煤安要求。

2.4 抗干擾能力

井下環境較差，電磁干擾較強，系統所選用的設備應具備一定的抗干擾能力，保證系統正常運行。

3 系統主要功能分析

液壓支架控制系統的功能是根據液壓支架的動作確定的，系統通過支架控制器控制液壓支架完成指定動作實現以下功能[3]。

3.1 本架推溜功能

操作人員按動本架推溜按鈕，本支架開始進行壓力檢測，確保支架穩定地支撐起煤層，若壓力超過設定值，則開始進行推溜動作，行程達到設定參數時推溜動作終止，也可在5 min內手動再按動一次本架推溜按鈕手動停止推溜動作；若壓力小于設定值，則先進行升架動作，保證支架支撐力符合要求。該動作的程序流程如圖2所示。

圖2 本架推溜程序流程

3.2 相鄰單架單動功能

在液壓支架的動作中，從安全角度出發，除本架的推溜動作外，其他動作都需要由相鄰液壓支架的支架控制器發出控制信號，本架的支架控制器接收主站控制信號控制本架動作，每個支架控制器可以對左鄰架、左鄰二架、右鄰架、右鄰二架進行控制。具體流程如圖3、圖4所示。

相鄰單架單動采用點動方式，操作人員選擇好要控制的液壓支架，按動操作支架控制器上的按鈕，本機自動修改為主控模式，并將動作控制信息寫入CAN發送緩沖區，松開按鈕后，本機將停止信息寫入CAN發送緩沖區。被控支架的支架控制器接收到主站動作命令后，自動將本機修改為從控模式，進行相應的單動動作，收到停止命令后，停止動作并將停止信息寫入CAN發送緩沖區，主站應答后，清除CAN發送緩沖區。

圖3 操作支架控制器單動流程

圖4 被控支架控制器單動流程

3.3 鄰架成組聯動控制功能

鄰架成組聯動包括成組推拉、成組推溜、成組升降等動作，是指以任意一個液壓支架為起始架，向左或向右若干個相鄰架被設定為一組，系統發出聯動信號后，從起始架開始，液壓支架依次按照程序進行動作，直至最末端支架完成動作。操作人員可以任意指定支架組，只有給定支架組的位置和個數后，才能進行成組聯動。系統會自動記憶上一次成組聯動中組的參數，不需每次操作前重新輸入，需要改變組的參數時可由操作人員重新設置。從站發送和接收成組聯動命令流程如下頁圖5所示。

3.4 自動跟隨支護功能

在主控制臺可以將系統設置為自動模式，通過對采煤機的開采姿態和位置進行實時監測，系統根據接收到的采煤機狀態信息，可以控制液壓支架自動跟隨采煤機進行采區支護，完成指定動作，實現綜采工作面的自動化控制，提高生產效率。

3.5 閉鎖及緊急停止功能

圖5 從站發送和接收成組聯動命令流程

因維修需要或其他原因而需要某個或某幾個液壓支架靜止不動時，可以對主站控制液壓支架進行閉鎖，并且左右相鄰的液壓支架也會同時閉鎖，防止誤動作。當需要解鎖時，必須在閉鎖液壓支架的支架控制器上按下解鎖按鈕才能進行解鎖操作，防止誤操作。

當發生緊急情況時，在任意支架控制器上按下緊急停車按鈕，整個工作區的液壓支架會立即停止所有動作，并且在系統復位前不能運行自動模式。

4 結語

液壓支架自動跟隨支護是實現綜采工作面自動化的重要一環。基于總線技術的液壓支架控制系統通過通訊手段控制液壓支架，不僅能完成多種動作，實現自動化控制，提高工作面的移架和支護效率，而且可以克服井下復雜環境，保證整個系統正常運行。