液壓支架自動化集中控制及試驗應用

李 宏

（山西長治三元晉永泰煤業有限公司，山西 長治 047100）

引言

近年來，國內大中型煤礦大多采用了自動化的機械采煤設備和工藝[1]，液壓支架電液控制系統是煤礦綜合化采煤設備的重要組成，是綜采工作面的支護裝置，為工作面的采煤機、運輸機等機械設備和工作人員提供安全穩定的工作場合，同時也能實現液壓支架的各種動作的自動控制，減少了現場人員的參與，極大地提高了采煤的效率，對煤礦的安全高效開采起著至關重要的作用[2]。目前，國內外的專家學者對液壓支架控制系統開展了大量的研究工作，如英國早在20 世紀80 年代末就研發出世界上第一臺液壓支架電液控制裝置[3]，德國DBT 公司的PM4型、德國MARCO 公司的PM31型和JOY 公司的R320型[4]是國際上通用的三種控制系統，但是國外研發的控制系統仍無法實現自動化采煤作業；國內液壓支架控制系統研究起步較晚，如神華集團和航天科技集團共同研制的電液控制器，滿足控制器設計要求，雖然國內的電液控制系統取得了極大的研究進展，但目前尚無成熟的、可實際應用的自動化控制器產品。針對國內綜采工作面電液控制系統的研究現狀和迫切需求，本文在原有支架控制器的基礎上[4]，根據礦井的實際生產需求，重新優化設計了液壓支架電液控制器的硬件結構，編寫了相關的軟件程序，并增加了自動化控制功能，實現頂板壓力等參數的實時監控，將控制器應用于實際煤礦進行工業性試驗，驗證控制器的自動化效果及穩定性。

1 液壓控制器的總體設計

1.1 總體設計方案

本文液壓支架控制器的設計需滿足數據采集、分析、處理以及命令執行，整體采用雙CPU 和三總線相結合的結構，以C8501F020 單片機作為控制核心，接口電路和主控電路以模塊化方式組成電路系統，相互協調完成控制器的各項功能。兩個CPU 分別控制兩個電路模塊，其中接口電路的作用是進行人機互動，包括命令輸入和運行狀態顯示，主控電路負責命令執行和數據采集，兩部分電路由SPI 通訊連接；各個支架控制器間的通訊由接口電路中的RS485 模塊負責。

1.2 硬件設計

如圖1 所示，支架控制器的硬件部分由雙核控制系統組成，接口電路CPU 分別控制鍵盤模塊、顯示模塊、支架通訊模塊、存儲模塊、檢測模塊、電源模塊以及急停閉鎖模塊，主控電路CPU 控制壓力和電流傳感器、集控通訊模塊、驅動模塊、自診斷模塊、電源模塊和數據存儲模塊。

圖1 液壓支架控制器硬件結構

CPU 是支架控制器的核心部件，通過內部運行編譯程序完成相應功能。根據控制器功能要求，分析CPU 所需的數據資源、擴展接口性能等，同時結合成本能耗等因素，選擇控制芯片的型號為C8051F020單片機，并優化了接口電路和主控電路的內部資源，如下頁表1 所示。

表1 主控電路和接口電路CPU 需要具備的硬件資源

1.3 軟件設計

基于硬件電路各功能模塊，本文編寫了液壓支架控制器的軟件控制程序，該控制程序由接口電路主程序和控制電路主程序組成，兩者均屬于主線性等待結構，由主循環結合不同功能模塊子程序構成。兩條主程序彼此獨立運行，由SPI 通訊程序實現兩者連接，當接口程序接受到控制命令時，通過SPI 通訊程序傳遞給主控電路程序，同時主控電路程序再將采集的支架運行狀態等信息通過SPI 反饋至接口電路，調動接口電路顯示界面子程序，最終顯示在屏幕上。子程序包括鍵盤掃描程序、動作執行和診斷程序、急停閉鎖程序、UART 和SPI 通訊程序、參數調運及修改程序和信號采集程序。程序編寫由Cygnal公司的IDE 集成開發環境完成，使用C 語言編寫。

1.4 液壓支架自動化集中控制

為了降低煤礦開采的人力耗費，提高操作安全性，本文對液壓支架控制系統增設了自動化集中控制功能，可實現支架的頂板壓力、推移量等信息的實時監控，同時，根據用戶輸入端指令完成自動拉架、推鎦等采煤作業，跟蹤采煤機。在支架控制器硬件和主控電路主程序基礎上，設計了以雙總線通訊、結合各種類型傳感器的液壓支架集控作業的控制方案，在控制器內部嵌入3 路信號采集電路、4 路通訊總線和10 路驅動電路，其中驅動電路由電磁閥提高驅動力。圖2 為支架控制器集控功能控制示意圖，其中主控電路是集控功能的核心組成，通過數據總線和命令總線與端頭控制器連接，數據總線負責將傳感器采集的參數和綜采面的設備狀態傳遞給上位機，命令總線負責對上位機和端頭控制器下達控制命令，根據命令內容，驅動電磁閥控制液壓支架執行相應動作；同時，系統根據壓力傳感器、位移傳感器和紅外傳感器等檢測的信號，判斷動作執行是否準確。此外，自動化集中控制的信息也會在顯示屏幕上實時顯示。

圖2 支架控制器集控功能控制示意圖

2 液壓控制器抗干擾試驗

考慮到煤礦綜采面具有復雜的生產環境，可能會對井下電氣設備產生干擾，因此設備的抗干擾性和穩定性對設備的功能和使用壽命有著重要的影響。在控制器的硬件和軟件設計中增添了抗干擾器件，如在硬件電路中，將CPU的I/O 口設置為三態門，不僅提高了輸入輸出能力，也增強了抗干擾能力，其他功能芯片采用互補金屬氧化物半導體結構，彌補了原有TTL 芯片的功耗大、響應速度慢的缺陷；而控制器的所有電路均進行單點接地處理，能夠有效過濾高頻干擾信號；針對鍵盤的電平干擾，在按鍵兩邊并聯電容以消除抖動。在軟件方面編寫了相關的程序，當系統出現死機或跑飛時，復位程序用于重新啟動；鍵盤程序負責實現鍵盤的消抖；在通訊校驗程序加入了CRC 多項式運算，保證了數據傳輸的準確性；動作檢測診斷功能夠在控制系統運行出錯時進行修正，保證系統穩定運行。

EMC 試驗主要用于檢測電氣設備的穩定性和抗干擾能力，本文對設計研發的液壓支架控制器進行了EMC 試驗。根據試驗結果，支架控制器在靜電放電干擾、電干擾、浪涌干擾和脈沖群干擾的條件下，均能夠正常運行，具有優異的抗干擾能力，滿足實際礦井工作的要求。

3 結語

在本文設計的液壓支架自動化集中控制方案中，以低功耗、高穩定性的C8051F020 單片機作為控制芯片，設計了模塊化功能電路，整體采用雙核結構，以多總線方式連接，控制器內部集成各類型通訊協議。此外，將自動控制功能和自診斷功能應用于控制器，提高了系統的自動化、實用性和可靠性。通過EMC 試驗驗證了控制系統的抗干擾性能和穩定性，試驗結果表明，液壓支架控制系統具有優異的抗干擾能力，可應用于煤礦的實際生產。