礦用液壓支架控制系統的研究及其實踐應用 *

田彥恒

(山西潞安集團潞寧煤業公司，山西 忻州 036000)

0 引 言

煤礦開采中液壓支架是其中非常關鍵的設備，其運行過程的精確性和穩定性直接影響煤礦開采效率[1-2]。受技術水平限制，我國很多煤礦中使用的液壓支架控制系統都由國外公司開發研制，鮮有自主的控制系統[3-4]。基于此，對液壓支架控制系統進行研究，并提升其先進性和穩定性，筆者以ZTZ/20000/27.5/42型液壓支架為基礎，對其控制系統進行的設計研究，并將其應用到煤礦實踐中，取得了較好的應用效果。

1 ZTZ/20000/27.5/42型液壓支架概述

煤礦中使用的液壓支架類型主要包含三種，分別為掩護式、支撐式、掩護支撐式，不同類型的液壓支架各自具有其特征與優勢。以某煤礦企業中使用的ZTZ/20000/27.5/42型液壓支架為基礎來設計控制系統，該型號液壓支架的整體結構如圖1所示。由圖可知，整個液壓支架由多個機械結構件構成，部分結構件可以進行位置調整，以適應不同的工作環境。液壓支架工作時隨著煤礦開采的不斷向前推進，需要進行移架并對姿態進行調整，該過程需要通過控制系統來實現。

圖1 ZTZ/20000/27.5/42型液壓支架結構圖

2 液壓支架控制系統整體方案設計

煤礦綜采工作面一般都非常長，需要同時使用多臺液壓支架進行工作，且多臺液壓支架之間必須協同工作才能夠滿足煤礦開展要求。設計的控制系統必須能夠進行數據通信，這對整個控制系統的通信網絡提出了相對較高的要求。以往的通信網絡設計中，為了保證通信的可靠性，通常都采用冗余設計。此方案雖然能夠保證通信網絡運行的穩定性，但成本相對較高。文中在設計液壓支架控制系統時，為控制建設成本沒有使用冗余設計方案，而是提升通信網絡的可靠性來提升整個控制系統的穩定性。如圖2所示為液壓支架控制系統整體方案示意圖。

圖2 液壓支架控制系統整體方案示意圖

控制系統中數據通信同時采用ZigBee無線模式和CAN總線模式，其中前者作為主要渠道，后者作為備用通信渠道。由于主要通訊模式為無線模式，因此采煤現場的布線較為簡單，提升了控制系統的可靠性。監控中心設置在礦井地面，通過工業以太網對端頭液壓支架進行控制。

系統具有三種控制模式，分別為自動化控制、遠程控制和就地控制，每種控制模式下都可以單獨對某一臺液壓支架進行控制，也可同時對多臺液壓支架進行協調控制。緊急情況下可以實現閉鎖，確保設備和人員的安全。

3 液壓支架控制系統硬件和軟件設計

3.1 硬件部分設計

液壓支架控制系統中的控制器是重要的硬件設施，是實現液壓支架各項控制功能的基礎前提。

(1) 控制器的整體結構

由于控制器作為硬件設施需要直接安裝在液壓支架現場。受現場空間限制，控制器體積不能過大，因此選用的主控芯片為嵌入式芯片，該類型芯片體積較小。如圖3所示為液壓支架控制器中使用的主要硬件設施框圖。由圖可知，整個控制器的硬件設施包含很多方面的內容。

圖3 控制器中使用的主要硬件設施框圖

(2) CPU的選型

對于控制系統而言，CPU是其中最為關鍵和核心的硬件部分。不僅需要接受傳感器檢測得到的現場數據，還要對數據進行分析處理，并根據分析結果下達各種控制指令，因此要求具備有很高的性能，結合實際情況選用的CPU型號為STM32F103ZET6。該型號控制器由意法半導體公司研發設計，屬于嵌入式微處理器芯片，主頻為72MHz，性能強大。芯片以價格低廉、運行過程穩定等顯著優勢，在很多工業領域得到了廣泛應用。芯片的數據總線為32位，與傳統的8位和16位微處理器相比較，性能有了顯著提升，且自帶有很多數據接口，能夠與多種其他元器件連接。

(3) 電源電路設計

由于控制系統中涉及的硬件設施較多，不同硬件需要不同的電壓等級進行供電。總結發現控制系統硬件設施的電壓需求等級可以劃分成為三個類型，分別為12V、5V和3.3V。各硬件設施均需要通過井下本質安全型電源箱進行供電，供電電壓為12V。基于此，設計了專門的電源電路，電路的輸入端為12V直流電壓，輸出端為三個不同等級的電壓，以滿足不同硬件設施的實際需要。進行電壓等級轉換時，需要用到防爆電源轉換模塊。結合實際情況選用的電源轉換模塊為XZR05/12S05型，利用該型號電源轉換模塊可以將直流12V電壓轉換成為直流5V電壓，轉換功率大小為5W。利用電源轉換模塊對電壓等級進行轉換時，可以有效避免外界因素對轉換過程造成的干擾，且還具備有短路保護等各項保障功能，為控制器電源的穩定運行奠定了堅實的基礎。利用LM1085直流穩壓模塊可以將直流5V電壓轉換成為直流3V電壓，且輸出的電壓波形已經利用電容實施了濾波，提升了供電的穩定性。

3.2 軟件部分設計

對于控制系統而言，硬件和軟件是左膀右臂，硬件是基礎，軟件是控制系統的靈魂，兩者缺一不可。基于Keil MDK環境進行軟件開發。軟件部分的工作流程可以概述如下：系統開啟后對控制系統自身的硬件設施進行自檢并初始化設置，如果中間存在問題可以通過LCD顯示器將問題進行顯示以提示工作人員；如果一切正常，系統進入控制模式選擇模式，共有三種模式可供選擇，分別為就地控制、遠程控制和自動控制，每一種控制模式條件下，都可以對每一臺支架進行單獨控制，也可以同時對成組支架進行控制。整個控制過程中，需要通過各類傳感器對液壓支架的運行狀態進行檢測，并將檢測結果傳輸到控制系統進行分析與處理。如果傳感器檢測得到的信號發現設備存在安全隱患或故障問題，系統會啟動緊急閉鎖，避免引發更加嚴重的安全事故。

4 液壓支架控制系統的實踐應用

完成液壓支架控制系統的設計工作后，搭建了控制系統實體模型，并對其各項功能進行了測試，發現功能均能滿足要求，設備運行過程穩定。再將液壓支架控制系統應用到煤礦工程實踐中，進行了連續6個月時間的實踐檢測。結果表明，控制系統可以對液壓支架的運行狀態進行實時檢測，并基于檢測結果實現單架控制、成組控制和遠程控制等各項功能。出現故障問題時控制系統可以進行緊急閉鎖并發出警告信息提示工作人員。

液壓支架控制系統的應用，顯著提升了煤礦企業設備的智能化和信息化水平，為采煤效率的提升奠定了堅實的基礎。經過初步分析統計，認為控制系統的應用有效降低了液壓支架運行過程中的故障率，降低了設備的維護保養成本，每年至少可以為企業節省15萬元左右的生產成本，經濟效益顯著。

5 結 論

以ZTZ/20000/27.5/42型液壓支架為基礎，對其控制系統進行了設計研究，所得結論主要如下。

(1) 控制系統具有就地控制、遠程控制和自動控制三種控制模式，且每種模式下可以實現單架控制、成組支架控制和緊急閉鎖控制的功能。

(2) 通信系統是控制系統的基礎，同樣采用冗余設計，其中主要渠道為ZigBee無線網絡，備用通信渠道為CAN總線網絡。

(3) 控制器是控制系統的硬件基礎，CPU是其中最為關鍵的硬件設施，選用的型號為STM32F103ZET6，完全可以滿足要求。

(4) 將設計的控制系統應用到煤礦實踐中，取得了很好的應用效果，提升了煤礦企業的技術水平，為其創造了良好的經濟效益。