煤礦用支架電液控系統原理探究

祝大焦，龍丹丹，劉懷蓮

（棗礦集團電力公司，山東棗莊，277011）

1 煤礦支架電液控系統的國內外發展現狀

1.1 國外煤礦支架電液控系統的發展及現狀

20世紀50年代，英國研制出世界上第一臺垛式液壓支架，成功在澳大利亞科里曼爾煤礦進行應用。1985年研制出第二代電液控制系統，該系統設計在運輸巷內安裝控制臺，通過遠程控制完成對所連支架控制，從而實現了整個工作面支架的集中控制。

同時期，德國、美國等國先后開始電液控系統的研究。德國威斯特伐利亞公司與西門子公司聯合研制成功的PANZERMATIC-E系統，是德國國內第一套液壓支架電液控制系統。

20世紀90年代到21世紀初，電液控制技術突飛猛進，取得大規模應用。以美國的電液控系統應用作為參考，1994年末期，美國全國共計81個煤礦綜采工作面，其中有73個配備了電液控制系統。電液控應用已經達到了90%多，兩年后該比例逼近92.7%。

1.2 國內煤礦支架電液控系統的發展及現狀

與西方國家相比較，我國在液壓支架及其電液控制技術方面的研究起步較晚。20世紀70年代開始引進德國、英國的支架電液控系統。

1991年鄭煤機自行研制電液控系統DYZK-I型，開始試驗應用。1996年煤炭科學院研制YLT型電液控系統，并展開試驗應用。2008年3月鄭州煤機廠研制的電液控制系統，通過國家試驗檢測中心的測試認證獲得相關資質證書，標志著支架電液控系統技術在我國徹底被攻克，我國采煤支護技術獲得了長足發展。

2 煤礦支架電液控系統

目前煤礦支架電液控系統是集機械、電子計算機技術、工業控制技術、網絡通信技術等技術為一身的系統。通過程序的相互參數設置，達到偵測煤機位置，驅動支架完成各種動作，從而達到自動采煤的目的。實現采煤的自動化減少采煤工作面工人的數量，降低采煤工人的勞動強度。

煤礦支架電液控系統的核心部件是控制器，所有支架控制的功能鍵都集成到了控制器的面板上，本機不能操作，對鄰架進行操作，保證了操作人員的安全。

煤礦支架電液控核心執行部件為先導閥，它是將電信號轉換為液壓控制的部件。

煤礦支架電液控系統圖如圖1所示，包括：地面調度監控中心，井下監控中心，控制器，各類傳感器（紅外線傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等），驅動器。

煤礦支架電液控系統有如下特點：（1）采用控制器作為支架的控制中樞，便于集中操作，響應速度快達到ms級；（2）控制器支架能夠根據參數無條件地控制鄰架，或者幾架成組操作；（3）控制器通過CAN總線通信能夠方便地進行更新程序、參數等操作；（4）采用紅外線偵測采煤機的位置，用壓力傳感器采集支架立柱壓力。

3 煤礦支架電液控系統原理探究

3.1 控制器結構探究

煤礦支架電液控系統的控制器是支架集中控制的核心設備，電路結構如圖2所示。

控制器的結構如圖2所示，其結構緊湊固定于防爆外殼中，其結構為：顯示器，矩陣鍵盤，急停閉鎖按鈕，狀態指示燈，金屬防爆外殼，傳感器接口。

控制器的外殼采用防水等級設計，采用12V直流電源有利于使用安全。

3.2 控制器硬件電路結構圖

控制器硬件結構由大部分構成，結構緊湊，布局合理如圖3所示。

控制器的基本組成結構為：單片機控制核心，起到控制作用，接收矩陣鍵盤的命令信號，用來顯示，并且執行；矩陣鍵盤接收工作人員的操作，將信號傳遞給單片機；狀態指示燈指示控制器的工作狀態；急停閉鎖按鈕對控制器起到緊急關停的作用；AD模塊將模擬量信號轉換成數字信號傳遞給單片機供顯示和判斷用；通信模塊，與驅動器進行通信或者與鄰架進行通信等；各結構相互配合共同完成控制任務。

3.3 壓力傳感器原理分析

壓力傳感器是探測立柱內的壓力的主要器件，其采用壓力傳感器模塊通過與液壓聯通的孔洞與高壓乳化液相連，壓力值轉換電路將乳化液的壓力值轉換為對應的電壓值或者電流值。然后通過連接器傳遞至控制器進行壓力的顯示以及邏輯判斷，并輸出相應的功能。

該壓力傳感器能將0～60MPa的壓力轉換為0.5～4.5V電壓，最大密封壓力為70MPa。該壓力傳感器完全適合于煤礦液壓的供液液壓壓力的測量，能夠準確地顯示壓力，并且采用具有足夠的檢測精度。如果使用擴散硅壓力傳感器模塊最大監測壓力能達到100MPa。

控制器通過A/D模塊將壓力傳感器傳過來的電壓信號轉換為數字信號，并顯示在顯示屏上。

控制器根據管道內壓力的數值進行自動補壓，保持支架立柱內的壓力值。

3.4 紅外線傳感器原理分析

紅外線傳感器是感知煤機位置的器件：煤機上面安裝有紅外線發射器Ug，支架上安裝有紅外線接收器Ut，從而確定煤機所在的支架號數并顯示在控制器上。

紅外線傳感器由紅外線傳感器模塊、轉換電路、四芯連接器組成。當紅外線傳感器模塊接收到紅外信號后經轉換電路轉換成模擬信號，再通過連接器將信號傳遞給控制器。從而確定煤機的位置。

紅外線傳感器的采用紅外線接收器，同時測量紅外線來源的角度，能夠判斷采煤機是在此紅外傳感器的正前方還是上行或者下行。

3.5 驅動器原理分析

驅動器是將控制器的命令信號轉換成驅動具體先導閥的設備，每一根線控制器一個電磁閥兩個功能。

通過通信線接收控制器的命令，采用CAN、RS-485總線通信方式。接收到信號后通過轉換電路，轉換為具體驅動器動作的信號。驅動接口與電磁先導閥連接，驅動電磁先導閥動作，從而控制立柱的升降。

單片機接收到信號后將控制傳來的動作信號轉換為具體每一路的驅動信號，驅動先導閥進行動作從而驅動此路主閥動作進行通液。

3.6 電磁先導閥原理分析

電磁先導閥是連接電控與液控的執行元件，它將電控信號轉換為液控驅動信號，打開液控主閥的電開關。

該電磁先導閥電磁部分結構分為：線圈、轉換電路、先導閥接口。當電磁先導閥接收到驅動器12VDC的電路后經過轉換電路的轉換，從而驅動線圈動作，打開或者關斷電磁先導閥。先導閥關閉時反向二極管吸收線圈所產生的反向電動勢快速的關斷先導閥。

4 煤礦支架電液控電路原理探究

煤礦支架電液控電路，以集成電路為主包括：ARM單片機、CAN通信模塊、集成開關電源模塊、模擬電路、顯示屏驅動電路、按鍵電路等，其主要以數字電路為主。通過各個系統相互協調，共同完成控制任務。

4.1 NXP LPC2294HBD144單片機介紹

NXP LPC2294HBD144單片機是以ARM控制核心為基礎的單片機，以其低功耗和高性價比的優勢逐漸步入高端市場，成了主流產品。采用了新型的32位ARM內核，使其在指令系統，總線結構，調試技術，功耗以及性價比等方面性能優越。同時ARM單片機在芯片內部集成了功能電路，在功能和可靠性方面大大提高。

該控制器采用軍工級NXP單片機，其特性如下：具有先進的指令域，使其指令集和指令譯碼都得到了極大簡化。具有統一的寄存器，使指令執行速度加快。采用特殊的存儲結構，數據處理時僅對寄存器操作。采用自動尋址方式，進一步提高循環程序的執行速度。引入寄存器操作指令，有利于實現數據處理速度的最大化。

4.2 時鐘電路介紹

煤礦液壓支架控制器采用11.0592MHz晶振，時鐘頻率較高，執行代碼速度快使控制器相應速度提高。串口芯片SC16IS752的時鐘芯片采用1.8432MHz晶振。 目前單片機普遍采用此功能的晶振作為時鐘頻率，提高了代碼的執行效率。使控制器在相應方面大幅度的提高。

4.3 ADUM1411芯片介紹

煤礦液壓支架控制器采用ADUM1411標準數字隔離器，該隔離器為四通道數字隔離器。不需要外部驅動器和其他分立器件，能邏輯控制其工作技術參數先進：支持多種通道配置和最高達10 Mbps的數據速率。通用多通道隔離SPI 接口/數據轉換器隔離、RS-232/RS-422/RS-485收發器、工業現場總線隔離。

該數字隔離器應于與控制器將信號進行隔離，更好的保護控制單元，使信號穩定輸出。

4.4 按鍵電路介紹

如圖8所示，控制器采用的按鍵操作電路，按鍵K1直接與電源相連，另一側與NXP的輸入引腳相連。當K1按下后，給NXP引腳一個高電平，同時LED1點亮指示按鍵按下。

4.5 顯示屏電路介紹

如圖9所示，該電路為控制器所使用的OLED驅動電路圖，1#引腳接地、2#引腳電源、4#引腳為數據/命令選擇、5#引腳為寫命令選擇、6#引腳為讀命令選擇、7#～14#引腳為數據傳輸引腳。

4.6 軟開關介紹

煤礦液壓支架控制器采用貼片三極管作為軟開關電路的主要元器件，三極管工作在開關模式。三極管的基極作為控制極，添加導通電壓后導通，起到控制電路導通的作用，實現對輸入輸出口的控制。在輸出口串聯自恢復保險，能自動保護下游電路，并且當故障消除后能自行恢復。電路圖如圖10所示，R7為限流電阻、Q1為三極管開關器件。

5 煤礦支架控制器軟件原理探究

煤礦支架控制器軟件部分分為底層程序和應用程序：底層程序主要是寫入單片機中，控制器的最基礎的應用；應用程序主要為輸入輸出的控制，A/D模塊的驅動，顯示驅動控制通信等。

5.1 底層程序結構探究

控制器底層程序結構圖如圖11所示，上電后檢測存儲器內是否有應用程序，如果沒有則進行更新程序的提示，并檢測確認鍵是否按下，更新程序確認鍵按下后開始從左鄰架或者右鄰架進行程序自動更新。如果沒有人工進行操作則一直報警等待。如果有程序則調用執行應用程序。

5.2 應用程序結構探究

控制器應用程序上電后首先檢測程序版本是否一致，如果不一致則控制器提示版本不同并報警，提示更新程序版本操作。在程序版本一致的情況下，控制器程序檢測是否進行工作面編址，如果沒有則控制器提示編址錯誤，并提示進行控制器編址。在編址正確的情況下，控制器程序檢測參數設置情況，必須進行完正確的參數設置后方能進行控制器的操作。

控制器應用程序識別按鍵的并執行相應的功能，當進行鄰架操作時按下鄰架操作按鈕，待控制器提示能進行鄰架操作后方能進行操作。控制器程序結構圖如圖12所示。

6 結束語

本文通過對控制硬件和軟件的探究，使我對控制器的原理有了深入的了解，以工作經驗提高了自身理論水平。通過分析控制器內部硬件的組成，對于控制器的各部分的電路構成有了深入的了解。在工作中通過對操作軟件的操作，總結了大體的軟件結構及其工作原理對本職工作有了較大提高。