礦井液壓支架電控系統(tǒng)的設(shè)計分析

馬燕慶

（大同煤礦集團臨汾宏大豁口煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

煤炭資源是我國的主要能源，也是國民經(jīng)濟的核心支柱。在煤炭的開采過程中，對開采區(qū)巷道頂板的控制是確保礦井安全生產(chǎn)的前提，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，而實現(xiàn)頂板支護控制的關(guān)鍵是合理使用液壓支架控制技術(shù)，該技術(shù)是一種綜合化技術(shù)，可以提高頂板支護作業(yè)的效率，面對復(fù)雜的井下地質(zhì)條件，該技術(shù)可以更好地適應(yīng)多變的作業(yè)環(huán)境，確保煤炭開采的安全高效，因此，在煤礦開采過程中，應(yīng)大力推廣使用液壓支架控制技術(shù)[1]。

1 液壓支架電控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

液壓支架電控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示，將液壓支架的控制系統(tǒng)分為地面監(jiān)控室監(jiān)控、端頭控制器控制、液壓支架控制器控制三部分。其中，地面監(jiān)控可監(jiān)控液壓支架在運行時的各項運行參數(shù)，通過組態(tài)界面顯示并遠程控制液壓支架的動作。端頭控制器主要是通過CAN 總線進行連接，將液壓支架控制器中收集到的各類傳感器信號傳輸給地面監(jiān)控室，以下發(fā)對應(yīng)的控制指令。液壓支架控制器主要是將各類傳感器的信號進行收集并上傳，通過控制液壓支架上的各個閥門，操控液壓支架的動作，將液壓支架控制器作為節(jié)點，通過兩條CAN 總線掛接在端頭控制器上，如果液壓支架控制器出現(xiàn)故障，端頭控制器會自動識別出有故障的液壓支架，并進行報警。

液壓支架電控系統(tǒng)使用AC127 V 電源供電，在經(jīng)電源箱整流濾波后，得到直流低壓電源，供其控制器使用[2]。

2 液壓支架電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控制器

圖1 液壓支架電控系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 液壓支架控制器硬件結(jié)構(gòu)

液壓支架的主控制器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，根據(jù)鍵盤的按鍵功能，在CPU 中輸入程序操作指令，經(jīng)電磁先導(dǎo)閥調(diào)控作用，驅(qū)動液壓支架進行動作，將各類傳感器接收采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU，在顯示屏上進行運行狀態(tài)等信息的顯示。

2.2 地面監(jiān)控室

地面監(jiān)控室作為地面的調(diào)度中心，通過CAN 總線實現(xiàn)地面和井下的實時通訊，從而實現(xiàn)對井下液壓支架運行狀態(tài)的監(jiān)控。

2.3 感應(yīng)裝置

感應(yīng)裝置主要包括壓力、位移、紅外傳感器。其中，壓力傳感器位于液壓支架的液壓缸中，主要負責將液壓缸中的壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸至支架控制器中，通過電控系統(tǒng)將對應(yīng)的狀態(tài)值顯示出來，其測量范圍在0～60 MPa。位移傳感器位于液壓支架的推移千斤頂上，主要負責將千斤頂活塞處的位移值檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸至支架控制器中，通過電控系統(tǒng)向支架提供對應(yīng)的位移值。紅外傳感器主要是對采煤機的位置進行測量，將采煤機的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸至支架控制器中，確保推溜、收護幫板、成組噴霧等作業(yè)的自動控制。

2.4 隔離耦合器

CAN 總線作為物理總線的接口，通常選擇具有高性能和高集成度的收發(fā)芯片，在地面和井下建立通信協(xié)議，由于井下的環(huán)境變化較大，常伴有各種干擾，為了提高信號傳輸?shù)臏蚀_性，加入隔離耦合器來消除干擾。隔離耦合器作為支架控制器之間連接的接線終端，兩個端口采用不同的接地方式，主要負責對各支架控制器間的信號進行隔離，防止各控制器之間共模信號干擾，在信號的出口引入鉗位電路，防止線路中電壓突然變化造成芯片損壞，同時，加入電容對通信線路上的高次諧波信號進行吸收，為引入電源提供便利條件。

2.5 CAN 中繼裝置

CAN 中繼裝置是當CAN 總線的傳輸能力有限時，作為中轉(zhuǎn)節(jié)點，用來提升CAN 的通訊質(zhì)量[3]。

3 液壓支架電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 單架單動作軟件設(shè)計

對于單臺液壓支架動作來說，如果一臺液壓支架控制器控制三臺液壓支架，首先選擇要動作的架號，選好后進入主控模式，按下動作鍵，在CAN 總線的作用下，將信號傳輸給相應(yīng)的液壓支架控制器，在控制器接收到指令后，通過對比地址確定具體的控制對象[4]，確定好后松開動作鍵，進入對應(yīng)的控制模式，執(zhí)行指令動作，在接收到停止指令后停止動作，此時寄存器的值清零，便于下一次接收信號，如果控制器沒有接收到指令，控制器會延時自動進入空閑模式。單臺液壓支架單動作的流程如圖3 所示。

3.2 液壓支架成組動作軟件設(shè)計

對于液壓支架的成組動作來說，一臺液壓支架動作完后按照順序進入下一臺液壓支架動作，此時不僅要考慮液壓支架的相鄰位置關(guān)系，還要使各液壓支架之間的動作配合完好。在液壓支架聯(lián)動作業(yè)時，首先確定起始和結(jié)束的液壓支架架號，根據(jù)支架間的聯(lián)動數(shù)據(jù)計算動作時間，如果在規(guī)定的動作時間內(nèi)沒有完成，便會出現(xiàn)聲光報警信息，在成組聯(lián)動作業(yè)時，由于一個成組動作的完成可能需要多臺液壓支架的配合，根據(jù)各傳感器的信息，及時判斷液壓支架的位置，及時進行動作調(diào)整。進入主控模式后，按下成組動作鍵并開始計時，在CAN 總線的作用下，將信號傳輸給相應(yīng)的液壓支架控制器，進入對應(yīng)的控制模式，執(zhí)行成組指令動作，在成組動作結(jié)束后停止動作，此時寄存器的值清零，便于下一次接收信號，控制器沒有接收到指令，控制器會延時自動進入空閑模式，如果成組動作沒有達到預(yù)設(shè)的時間，則會報警，控制器延時自動進入空閑模式。液壓支架成組動作的流程如圖4 所示。

圖3 單臺液壓支架單動作流程圖

圖4 液壓支架成組動作流程圖

4 結(jié)論

1）分析液壓支架電控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分別從硬件以及軟件設(shè)計兩個方面進行詳細論述。硬件設(shè)計主要從主控制器、地面監(jiān)控室、感應(yīng)裝置、隔離耦合器以及CAN 中繼裝置五部分進行分析，軟件設(shè)計主要對單臺單動作液壓支架動作和液壓支架成組動作兩個程序流程進行分析。

2）將所設(shè)計的液壓支架電控系統(tǒng)應(yīng)用于井下結(jié)果表明，設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性較高，能滿足實際作業(yè)需要。