煤礦液壓支架電液控制系統的研究與設計

甄智強

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤礦綜采面非常重要的支護設備，發揮著舉足輕重的作用。目前，液壓支架的控制方式已從傳統的人工手動控制升級為電液控制系統控制，在提高液壓支架在工作面自動化水平的同時，也極大地提高了井下的采煤效率和安全性。但目前大部分井下電液控制系統仍然采用有線電纜進行鄰架液壓支架之間的數據通信，現場安裝不方便，并且隨著相關設備的不斷擴展，帶來了布線困難的問題；在支架移動過程中，由于工作面環境較為惡劣，有線電纜長期磨損，極易被扯斷，進而影響了通信信號傳輸的可靠性和安全性；同時有線網絡覆蓋范圍有限[1]。綜上所述，有線網絡在液壓支架電液控制中慢慢表現出一定的不足，為綜采面液壓支架的工作留下了重大隱患。

因此，本文基于ZigBee 技術設計了一套以無線通信技術為主，有線通信網絡為輔的液壓支架電液控制系統，井下鄰架控制器之間皆采用ZigBee 技術進行數據傳輸，通過協調轉換節點利用CAN 總線方式與井下上位機進行通信，同時借助工業以太網與遠程監控中心進行對接。

1 電液控制系統網絡布局整體方案設計

圖1 所示為設計的液壓支架電液控制系統的網絡組建方案。整個系統由地面監控中心、工業以太環網、井下上位機、協調轉換節點、路由器節點、多個支架控制器組成。

圖1 電液控制系統網絡布局整體方案

其中，地面監控中心由監控主機、監控備機、數據庫服務器等組成，負責將工作面液壓支架的運行狀態信息、工況參數等實時顯示在大屏幕上，為工作人員提供遠程監控功能，同時還有數據存儲、報表生成、指令下達等功能；井下上位機負責對傳感器監測到的信息進行智能分析處理和故障診斷，下達控制指令同時上傳監測信息，地面監控中心和井下上位機之間通過工業以太網進行雙向通信；協調轉換節點、路由器節點、多個支架控制器之間組建ZigBee 無線通信網絡，支架控制器中嵌入ZigBee 通信電路，三者以ZigBee 樹狀結構連接通信，協調轉換節點是ZigBee 網絡的最終匯聚點，監測信息皆通過此節點以CAN 總線通信方式與井下上位機進行數據傳輸。

2 硬件部分方案設計與選型

2.1 液壓支架控制器方案設計

圖2 支架控制器硬件框圖

下頁圖2 所示為單個支架控制器的硬件設計框圖。支架控制器由主控制器、聲光報警裝置、液晶顯示屏、按鍵輸入模塊、ZigBee 通信電路、電源管理模塊、壓力傳感器、位移傳感器、紅外傳感器、急停模塊、閉鎖模塊、電磁先導閥及驅動電路、信號調理電路等組成。ZigBee 通信電路負責與路由器節點進行雙向數據傳輸；壓力傳感器和位移傳感器負責對液壓支架的工況信息進行檢測，紅外傳感器負責確認采煤機的移動位置，為液壓支架的跟機自動化提供信息參考，信號調理電路負責對數據進行處理和轉換。

2.2 主控制器選型

考慮到井下液壓支架工作的連續性，選用的主控制器必須要保證低功耗，以保障支架控制器工作的持久性，液壓支架電液控制器內嵌入了ZigBee 通信電路，兩者之間通過串口進行數據交換。為此，選用TI 公司的MSP 系列單片機，該系列單片機功能強大、操作簡單、運行功耗低，非常適合[2]。具體選用型號為MSP430F5438 單片機。MSP430F5438 主控制器的功能包括：接收來自傳感器的檢測信息，并進行數據轉換、分析處理、故障診斷；下達液壓支架的動作控制指令；支持多種通信方式，完成與不同對象的數據傳輸功能。

2.3 傳感器檢測模塊設計與選型

數據采集對液壓支架電液自動化的實現具有重要作用。系統采用了位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器來進行數據采集[3]。其中，采用位移傳感器測量液壓支架推移行程，傳感器具體型號為GUC1200，將其安裝于推移油缸活塞桿處；采用壓力傳感器對支架立柱下腔壓力進行檢測，傳感器具體型號為GPD60；采用紅外傳感器主要用于實現井下支架的跟機自動化控制，傳感器選用GUH5-F 型紅外發射器和GUH5-S 型紅外接收器，將發射器安裝在采煤機上，接收器安裝在液壓支架上，液壓支架通過接收器和主控制器來獲得采煤機的運行位置。

2.4 ZigBee 無線通信網絡設計

系統的ZigBee 無線網絡由協調轉換節點、路由器節點以及嵌入支架控制器的ZigBee 通信電路構建，ZigBee 模塊皆采用集成的CC2530 模塊。該模塊傳輸距離最遠可達250 m，擁有21 個通用I/O 引腳，并且支持串口間的不間斷發送以及雙向同時收發。

2.4.1 支架控制器ZigBee 通信電路

圖3 所示為MSP430 主控制器與CC2530 模塊之間的連接示意圖。兩者通過URAT 串口進行數據通信，將兩者之間的電源接口以及地進行共接，同時將 MSP430 的 TX、RX 和 CC2530 的 RX、TX 分別相連。

圖3 MSP430 與CC2530 模塊連接示意圖

2.4.2 路由器節點

路由器節點負責將每一個液壓支架控制器的檢測數據進行局部匯總，經過自身數據融合以多跳的方式將數據上傳到協調轉換節點。圖4 所示為路由器節點電路結構示意圖。

圖4 路由器節點電路結構

2.4.3 協調轉換節點

協調轉換節點是ZigBee 無線網絡與CAN 總線有線網絡的橋梁，可將ZigBee 路由節點通信協議轉換為CAN 總線通信協議，具備數據存儲、數據處理、數據轉發的功能。圖5 所示為協調轉換節點硬件構成框圖。圖中的CAN 總線通信模塊由LPC2119 控制器和TJA1050 總線驅動器組成，具有抗電磁輻射和電磁干擾的能力。

圖5 協調轉換節點硬件構成框圖

3 監控系統軟件方案設計

針對MSP430 單片機，采用IAR 公司開發的IAR EW430 軟件對其進行程序開發。該款軟件是瑞典IAR System 公司開發的，專用于MSP430 單片機的嵌入式系統開發工具，功能強大，可在Windows 系統上平穩運行，大大提高了項目的開發效率[3]。采用模塊化的設計思想對下位機程序進行設計，包括主程序、鍵盤輸入子程序、聲光報警子程序、液晶顯示子程序、ZigBee 無線通信子程序、路由節點子程序、協調轉換節點子程序、急停閉鎖子程序、控制模式選擇子程序、傳感器信心采集子程序、控制操作下達子程序、自動補液子程序等。圖6 所示為支架控制器ZigBee 無線通信電路子程序流程框圖。

4 結論

為了提高液壓支架電液控制系統信息交互的穩定性和可靠性，將ZigBee 無線通信技術引入電液控制系統中，取代了傳統的有線監測方式。基于ZigBee無線技術設計的電液控制系統可及時為井下上位機和地面監控中心上傳液壓支架的工況信息及運行狀態，為支架的單架及成組控制、自動補液等功能提供閉環反饋參考，同時ZigBee 無線技術優化了網絡通信結構，功耗低、可靠性高，且安裝維護成本低，在實際應用中達到了預期目標，取得了良好的效果。

圖6 支架控制器ZigBee 通信子程序流程框圖