薄煤層液壓支架電液控制系統研發*

趙 峰

(西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030053)

0 引 言

煤炭資源是我國的主要能源，煤炭開采過程中，常常出現采厚棄薄的情況，薄煤層未得到有效開采，會造成大量煤炭資源浪費，在進行薄煤層開采中，由于工作面安全空間小，行人困難，操作不便，勞動強度較大，所以開采薄煤層成本高，隨著薄煤層開采技術水平的不斷提高，薄煤層開采是大勢所趨[1]，保證薄煤層開采安全成為首要目標。薄煤層液壓支架作為綜采工作面重要的機械設備，其性能優劣是影響開采安全的關鍵因素，所以提升薄煤層液壓支架的工作性能和工作效率十分必要[2]。筆者結合自動化技術的控制思路，設計了ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統，為薄煤層開采設備的優化設計及安全開采提供一定的參考。

1 液壓支架控制系統設計方案

液壓支架是綜采工作面三大主要采煤設備之一,而液壓支架電控系統的性能優劣直接影響采煤效率。液壓支架在采煤過程中承擔著支撐頂板的作用，為刮板輸送機、采煤機及工作人員提供必要的安全空間。在進行薄煤層液壓支架設計時，首先需要考慮支架的穩定性及空間性。液壓支架電控系統的應用，不僅可以有效提高支架的支護質量,而且能夠有效縮短支架運移支護耗時，對于提升礦井的生產效率具有重要的意義。傳統的電液控制系統自動化程度低，信息傳輸數據慢，無法滿足智能化操作要求，所設計的ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統總體目標是基于環網實現信息傳輸，實現無人化、智能化目的，解決控制精度低、聯動性差、動作滯后等問題。液壓控制系統主要由支架控制器、防爆計算機、各類傳感器及電磁先導閥等設備組成，電液控制系統的整體結構圖如圖1所示。井下防爆計算機與地面計算機共同組成控制系統的上機位部分，通過環網進行井上井下的信息互換，監控系統及上位機軟件采用Client/Server結構設計，通過檢測液壓支架立柱的壓力信息進行礦壓趨勢的分析，從而實現空頂、礦壓監測及通訊線路故障預警等，順槽監控系統與地下監控系統采用SQLwerver和powerBuilder數據庫進行開發，兩個監控系統可以共享數據，有效保證運行安全。井下順槽計算機集成工作面所有數據，可以任意顯示一臺液壓支架的參數，同時通過光纖將數據傳輸至地面主機。液壓支架控制器作為控制系統的下位機，其直接作用于液壓支架，支架控制器能夠實現人工及自動兩種操作模式，是整個系統數據的接收端，將采集到的數據進行整合傳輸至上位機，控制器包含位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、傾角傳感器等，眾多元件共同組成液壓支架電液控制系統[3]。

圖1 電液控制系統的整體結構圖

2 控制器選型及工作原理

2.1 功能設計

對支架控制器進行硬件選擇，根據數據采集、數據傳輸、故障報警、數據儲存等功能，選定STM32 F407ZGT6中央處理器，其具有結構體積小，處理能力強、能耗低等優點，對單片機進行選型，首先需要滿足基本功能，文中選擇型號為STM32F407ZGT6單片機，其具有較多的I/O接口，采用32為內核處理器，168 Hz運行頻率，具備低能耗高處理的要求。同時其具備存儲能力強、信息采集能力強、外設資源豐富等優點，充分滿足性能需求。對單機片的最小系統單元硬件進行選型，最小系統中包括了復位電路、供電電路、下載電路等，供電電路根據電路模塊的工作電壓情況選定為3.3 V、5 V和12 V；復位電路采用RC低電平復位電路；下載電路的下載接口分為20針、10針JTAG接口和SWD接口。

2.2 硬件選型

對控制系統基本功能單元硬件進行設計，主要包括LCD顯示電路、聲光報警電路、閉鎖電路等，首先LCD電路采用STN型LCD12864點陣式顯示模塊，其尺寸為90 mm×70 mm×12.5 mm，LCD12864顯示模塊的正常工作電壓為4.5～5.5 V，正常工作溫度要求較低，能夠較好的滿足礦井生產要求，聲光報警電路在系統遇到緊急情況或者故障時，及時進行報警提醒，當支架處于待機狀態時，系統所有指示燈不亮，當人工進行操作時，此時系統指示燈為綠色，當系統出現故障指示燈立刻呈現紅色并報警，此時系統會在顯示模塊呈現急停、閉鎖的信號。所設計的聲光報警電路選擇蜂鳴器和工作電壓12 V的指示燈，通過三極管實現對指示燈及蜂鳴器的控制[4]。聲光報警電路示意圖如圖2所示。

圖2 聲光報警電路示意圖

從圖2可以看出，在電路中RED連接單片機，當GPIO口為高電平時，此時RED+與RED-間的紅色報警燈會亮，而同樣的綠色指示燈與共色指示燈的工作原理相同，通過采用三極管作為開關元件，有效保證故障報警的響應速度，同時通過多次的試驗驗證了設計的電路系統可行性與可靠性。

對系統的通訊單元進行設計，首先對CAN通信電路進行設計，控制器是CAN通訊總線的節點，節點采用物理層器件，STM32F407ZGT6單片機共有2路CAN控制器，文中的CAN通訊節點包括隔離電路、防沖擊保護電路、收發器。其中隔離電路采用光耦合器6N137，較好的實現輸出輸入的分離，防沖擊保護電路通過二極管、限流電阻及濾波電容組成，避免元件發生過載沖擊破壞，接收器選用PCA82C250芯片，其具備很強的抗干擾能力且通訊速率可以達到1Mbps。鄰架電路是指相鄰支架間的電路，其通過RS485線路進行連接，由于礦井環境較為惡劣，所以鄰架通信電路需要具有很強的防丟失能力，鄰架電路由隔離電路、防高壓侵入電路、失效保護電路、MAX485收發芯片組成，保證穩定運行。

驅動單元的設計是對電磁先導閥的驅動參數進行設計，根據研究發現電磁先導閥的工作電壓為5～12 V，根據單機片特點及驅動要求設計驅動單元，驅動單元流程圖如圖3所示。

從圖3可以看出，單機片的I/O口為高電平，所以在配置輸出模式時需要與執行單元進行對應，單機片將電平信號傳輸至限流濾波保護裝置后分為高電平和低電平兩種信號輸入開關單元，襯板電路是用于提供系統的工作電壓12 V，通過MOSFET的輸出特征控制電磁閥[5]。

圖3 驅動單元流程圖

數據采集單元是整電液控制的核心單元，其主要負責采集電壓、位移等參數的采集，通過與紅外線傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等進行連接，檢測液壓支架的立柱壓力機推溜行程等數據，采集模塊的流程圖如圖4所示。

圖4 采集模塊的流程圖

首先傳感器對液壓支架的運動參數及工作參數進行采集，將采集到的信號通過電路進行傳輸，為了保證信號的完整性，避免出現信號丟失等問題，在系統中加入信號保護電路，信號傳輸至轉換及處理模塊式會進行及時的處理及反饋，并將處理的結果及分析展示于顯示模塊。

3 應用效果

對設計的ZY3200/08/18型液壓支架電液控制系統進行應用試驗，支架控制器通過網絡連接為整體，當按下任意急停按鈕，工作面的支架控制器將會立刻響應紅燈，進入鎖定狀態，可以較好的解決工作面突發故障，故障報警試驗如圖5所示。同時系統受電壓波動影響程度較小，能夠滿足井下開采要求，同時鄰架通訊、總線通訊、遠程控制、故障分析等功能均能滿足正常工作需求，設計的液壓控制系統環境適應性強，滿足自動化生產的總體要求。

圖5 故障報警試驗圖

4 結 語

針對薄煤層液壓支架電液控制系統進行優化設計方案，首先給出了電液控制系統的整體結構圖，對薄煤層液壓支架電液控制系統核心部件支架控制器進行分析，基于功能需求，分別確定了最小系統 單元、通信單元、基本功能單元、驅動單元及采集單元硬件選型，通過應用，效果良好，改進了傳統電液控制系統自動化程度低，信息傳輸數據慢，無法滿足智能化操作要求的現狀，所設計的ZY3200/08/18型薄煤層液壓支架電液控制系統達到了無人化、智能化的應用目標，為薄煤層開采液壓支架控制系統進一步優化設計提供一定的參考。