煤礦液壓支架電液控制系統研究

田海波

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 前言

在現代煤礦中，液壓支架在煤炭開采中得到了較為廣泛的應用，從而使得煤礦綜采工作面在自動化、信息化方面得到了很大的提高。液壓支架采用電液控制方式，液壓支架借助電液控制系統，具有較快的移動速度并能靈活地進行控制，同時信息化技術的使用將極大地減少了煤礦井下作業人員的數量，實現少人甚至是無人化遠程管理。為做好液壓支架的發展與應用，需要對液壓支架的電液控制系統進行深入的研究，并在此基礎上積極引入新的技術與工藝，確保電液控制技術能夠取得良好的應用效果。

1 液壓支架電液控制系統的構成與特點

液壓支架電液控制系統主要由主控單元、傳感器、控制器、液控閥、總線等部分組成?？刂破魇且簤褐Ъ艿暮诵?，主要用于操控液壓支架。傳感器是各類信號傳感器（壓力、溫度、速度、電壓等）的總稱，其主要用于檢測液壓支架在井下的運行情況與運行環境，判斷液壓支架是否正常運行。液控閥等主要用于控制液壓回路，實現對于油缸等執行部件的控制。主控單元是信息處理的中心，用于人機交互和對傳感器所采集到的各種信號信息進行處理?？偩€則主要用于構建信息傳輸網絡，將液壓支架電液控制系統各組成部分有機地聯系在一起。

總體來說，液壓支架電液控制系統具有極高的自動化、信息化處理能力，主控單元通過對所采集到的信號進行分析處理，并反饋至操控面板，工作人員選擇是以手動方式或是自動方式來操控電液系統，從而使其能夠完成相關的動作，各類傳感器則檢測所執行的動作是否到位。計算機系統是液壓支架電液控制系統的信息處理核心，信息采集依靠的是各類傳感器，動作執行依靠的是液控閥與各類執行結構。

2 液壓支架電液控制系統的設計

2.1 液壓支架電液控制系統的硬件構成

液壓支架電液控制系統主要由軟件、硬件2個部分組成，在設計液壓支架電液控制系統時，首先需要設計出硬件系統。液壓支架電液控制器硬件結構如圖1所示。從結構圖中可以看出，液壓支架電液控制器主要分為微處理器、通信模塊、電源模塊、I/O模塊以及人機交互模塊等部分。微處理器多采用的是高性能增強型單片機，可以采用ARM或是DSP作為主控芯片，用以完成復雜的數據計算和信息處理工作。電源模塊部分選用24 V開關電源作為供電電源，液壓支架電液控制器硬件電路選用3.3 V的電源芯片，以此來將輸入電壓轉變為控制板上所需要的低電壓，為保證供電質量，在液壓支架電液控制器中還需要加設濾波和抗干擾功能，以此來為液壓支架電液控制器提供低耗能、低噪聲、抗干擾能力強的供電[1]。存儲模塊選用的是高性能大容量固態硬盤與內存，其中大容量的內存能夠滿足液壓支架電液控制器繁復的命令存儲與運算需求，而大容量的硬盤可以將液壓支架電液控制器的運行信息、數據等充分地記錄下來，滿足后期調用檢查與維護。I/O模塊主要用于對輸入輸出信號進行處理。液壓支架電液控制系統中不僅接收了大量的數字信號，同時也會接收大量的模擬信號，I/O模塊通過加裝專用的數字和模擬模塊，來將相關信號轉換為計算機能夠識別的數字信息，MCU通過對輸入的信息進行處理，液壓支架電液控制系統自動控制程序或是人機交互界面由人工操作所產生的控制信息，將經由I/O模塊轉換為現場液壓支架電液控制閥等能夠識別的控制電壓、電流等，完成對于液壓支架的電液控制。傳感器主要用于對液壓支架各部分的數據進行采集和分析，例如：液壓支架液壓壓力、采煤機移動距離、電流電壓等[2]，由于需要采集的信號眾多，因此，需要結合現場的實際情況合理地對傳感器的型號、數量進行選取，做到最優配置。如果需要對模數混合信號進行采集，可以選用多路信號采集器。液壓支架電液控制系統采用CAN總線完成控制主機與各終端之間的通信連接。電磁驅動模塊通過對數字信號進行解讀，并轉換成模擬電壓信號來控制各電磁閥的開度。人機交互界面主要用于輸入操作人員的在線監控與指令，并可根據實際情況對相關的參數進行修改或設置。

2.2 液壓支架電液控制系統位置檢測子系統的設計

液壓支架電液控制系統位置檢測采用的是紅外感應檢測技術，分別安裝在采煤機和液壓支架上，液壓支架電液控制系統位置檢測子系統結構如圖2所示。需要注意的是，安裝在液壓支架和采煤機上的位置檢測裝置為配套系統。在硬件電路的設計上，檢測系統的發射模塊向接收端發射紅外信號，接收端則需要對所接收到的紅外信號進行解碼，并將其發送至控制器中來確定液壓支架和采煤機兩者之間的位置。將所計算出的信號傳輸至支架控制器中來完成對于液壓支架的自動化控制。

圖1 液壓支架電液控制系統結構圖

圖2 液壓支架電液控制系統位置檢測子系統結構圖

2.3 巷道主機的設計

巷道主機是控制液壓支架的重要設備，其采用單片機的設計，在滿足使用要求的基礎上需要做好抗干擾性、可靠性的設計。液壓支架電液控制系統整體采用220 V供電，主機通過變換轉變為24 V的本安電源模塊，巷道主機顯示與主板使用24 V供電，巷道主機利用各種接口（如以太網、串口等）與其他設備進行信息交換。巷道主機使用2硬盤進行存儲。

2.4 液壓支架電液控制系統軟件的功能

液壓支架電液控制系統軟件可以對采煤機運行線路、運行位置、首末液壓支架架號、各支架架號、驅動器狀態以及支架噴霧情況等進行顯示，并將各支架的運行信息顯示在人機交互界面中供操作人員查看操作。液壓支架電液控制系統軟件設計時需要充分考慮各方因素，尤其是要注意做好人機交互，為用戶提供良好的使用體驗。

2.5 液壓支架電液控制系統網絡搭建

由于液壓支架電液控制系統在井下作業時面臨著復雜的井下情況，為保障液壓支架電液控制系統的安全運行，需要對液壓支架電液控制系統所使用的網絡進行防護保護。液壓支架電液控制系統井下網絡需要使用10/100 Mbit/s網絡與光纖交換機井下主機相連接，使用TCP/IP完成信號的傳輸。液壓支架電液控制系統的地面主控站與井下主機之間及相關配套設備使用CAN總線或是PROFIBUS總線進行連接通信，各支架控制器之間采用雙工串行通信方式。利用上述方案建立的液壓支架電液控制系統通信網絡將具有良好的通信性能和抗干擾性能。雙工串行通信充分利用了串行通信“點對點”的傳輸特性，并在信息中加入數據驗證、錯位診斷等方式，從而有效地保證了液壓支架電液控制系統網絡的安全、可靠運行[3]。

3 結語

液壓支架是煤礦開采中的重要設備，液壓支架將能夠有效提升煤礦巷道井下的支護水平。隨著各種新技術的應用，液壓支架的信息化、自動化水平得到了有效提升，從而使煤礦綜采自動化水平得到了極大提升。液壓支架電液控制系統能夠實現對于井下液壓支架的自動化控制，減少井下作業人員的人數，提高煤礦井下作業的安全性。該文在分析液壓支架電液控制系統結構特性的基礎上，對如何做好液壓支架電液控制系統的設計及設計中所需要注意的問題進行了介紹。