煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

甄智強

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤礦綜采面非常重要的支護設(shè)備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，液壓支架的控制方式已從傳統(tǒng)的人工手動控制升級為電液控制系統(tǒng)控制，在提高液壓支架在工作面自動化水平的同時，也極大地提高了井下的采煤效率和安全性。但目前大部分井下電液控制系統(tǒng)仍然采用有線電纜進行鄰架液壓支架之間的數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場安裝不方便，并且隨著相關(guān)設(shè)備的不斷擴展，帶來了布線困難的問題；在支架移動過程中，由于工作面環(huán)境較為惡劣，有線電纜長期磨損，極易被扯斷，進而影響了通信信號傳輸?shù)目煽啃院桶踩?；同時有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限[1]。綜上所述，有線網(wǎng)絡(luò)在液壓支架電液控制中慢慢表現(xiàn)出一定的不足，為綜采面液壓支架的工作留下了重大隱患。

因此，本文基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計了一套以無線通信技術(shù)為主，有線通信網(wǎng)絡(luò)為輔的液壓支架電液控制系統(tǒng)，井下鄰架控制器之間皆采用ZigBee 技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點利用CAN 總線方式與井下上位機進行通信，同時借助工業(yè)以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進行對接。

1 電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局整體方案設(shè)計

圖1 所示為設(shè)計的液壓支架電液控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建方案。整個系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、井下上位機、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點、路由器節(jié)點、多個支架控制器組成。

圖1 電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局整體方案

其中，地面監(jiān)控中心由監(jiān)控主機、監(jiān)控備機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成，負(fù)責(zé)將工作面液壓支架的運行狀態(tài)信息、工況參數(shù)等實時顯示在大屏幕上，為工作人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時還有數(shù)據(jù)存儲、報表生成、指令下達(dá)等功能；井下上位機負(fù)責(zé)對傳感器監(jiān)測到的信息進行智能分析處理和故障診斷，下達(dá)控制指令同時上傳監(jiān)測信息，地面監(jiān)控中心和井下上位機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行雙向通信；協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點、路由器節(jié)點、多個支架控制器之間組建ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，支架控制器中嵌入ZigBee 通信電路，三者以ZigBee 樹狀結(jié)構(gòu)連接通信，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的最終匯聚點，監(jiān)測信息皆通過此節(jié)點以CAN 總線通信方式與井下上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件部分方案設(shè)計與選型

2.1 液壓支架控制器方案設(shè)計

圖2 支架控制器硬件框圖

下頁圖2 所示為單個支架控制器的硬件設(shè)計框圖。支架控制器由主控制器、聲光報警裝置、液晶顯示屏、按鍵輸入模塊、ZigBee 通信電路、電源管理模塊、壓力傳感器、位移傳感器、紅外傳感器、急停模塊、閉鎖模塊、電磁先導(dǎo)閥及驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路等組成。ZigBee 通信電路負(fù)責(zé)與路由器節(jié)點進行雙向數(shù)據(jù)傳輸；壓力傳感器和位移傳感器負(fù)責(zé)對液壓支架的工況信息進行檢測，紅外傳感器負(fù)責(zé)確認(rèn)采煤機的移動位置，為液壓支架的跟機自動化提供信息參考，信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)換。

2.2 主控制器選型

考慮到井下液壓支架工作的連續(xù)性，選用的主控制器必須要保證低功耗，以保障支架控制器工作的持久性，液壓支架電液控制器內(nèi)嵌入了ZigBee 通信電路，兩者之間通過串口進行數(shù)據(jù)交換。為此，選用TI 公司的MSP 系列單片機，該系列單片機功能強大、操作簡單、運行功耗低，非常適合[2]。具體選用型號為MSP430F5438 單片機。MSP430F5438 主控制器的功能包括：接收來自傳感器的檢測信息，并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析處理、故障診斷；下達(dá)液壓支架的動作控制指令；支持多種通信方式，完成與不同對象的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.3 傳感器檢測模塊設(shè)計與選型

數(shù)據(jù)采集對液壓支架電液自動化的實現(xiàn)具有重要作用。系統(tǒng)采用了位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器來進行數(shù)據(jù)采集[3]。其中，采用位移傳感器測量液壓支架推移行程，傳感器具體型號為GUC1200，將其安裝于推移油缸活塞桿處；采用壓力傳感器對支架立柱下腔壓力進行檢測，傳感器具體型號為GPD60；采用紅外傳感器主要用于實現(xiàn)井下支架的跟機自動化控制，傳感器選用GUH5-F 型紅外發(fā)射器和GUH5-S 型紅外接收器，將發(fā)射器安裝在采煤機上，接收器安裝在液壓支架上，液壓支架通過接收器和主控制器來獲得采煤機的運行位置。

2.4 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點、路由器節(jié)點以及嵌入支架控制器的ZigBee 通信電路構(gòu)建，ZigBee 模塊皆采用集成的CC2530 模塊。該模塊傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)250 m，擁有21 個通用I/O 引腳，并且支持串口間的不間斷發(fā)送以及雙向同時收發(fā)。

2.4.1 支架控制器ZigBee 通信電路

圖3 所示為MSP430 主控制器與CC2530 模塊之間的連接示意圖。兩者通過URAT 串口進行數(shù)據(jù)通信，將兩者之間的電源接口以及地進行共接，同時將 MSP430 的 TX、RX 和 CC2530 的 RX、TX 分別相連。

圖3 MSP430 與CC2530 模塊連接示意圖

2.4.2 路由器節(jié)點

路由器節(jié)點負(fù)責(zé)將每一個液壓支架控制器的檢測數(shù)據(jù)進行局部匯總，經(jīng)過自身數(shù)據(jù)融合以多跳的方式將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點。圖4 所示為路由器節(jié)點電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 路由器節(jié)點電路結(jié)構(gòu)

2.4.3 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點

協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點是ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)與CAN 總線有線網(wǎng)絡(luò)的橋梁，可將ZigBee 路由節(jié)點通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為CAN 總線通信協(xié)議，具備數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。圖5 所示為協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點硬件構(gòu)成框圖。圖中的CAN 總線通信模塊由LPC2119 控制器和TJA1050 總線驅(qū)動器組成，具有抗電磁輻射和電磁干擾的能力。

圖5 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點硬件構(gòu)成框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

針對MSP430 單片機，采用IAR 公司開發(fā)的IAR EW430 軟件對其進行程序開發(fā)。該款軟件是瑞典IAR System 公司開發(fā)的，專用于MSP430 單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，功能強大，可在Windows 系統(tǒng)上平穩(wěn)運行，大大提高了項目的開發(fā)效率[3]。采用模塊化的設(shè)計思想對下位機程序進行設(shè)計，包括主程序、鍵盤輸入子程序、聲光報警子程序、液晶顯示子程序、ZigBee 無線通信子程序、路由節(jié)點子程序、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點子程序、急停閉鎖子程序、控制模式選擇子程序、傳感器信心采集子程序、控制操作下達(dá)子程序、自動補液子程序等。圖6 所示為支架控制器ZigBee 無線通信電路子程序流程框圖。

4 結(jié)論

為了提高液壓支架電液控制系統(tǒng)信息交互的穩(wěn)定性和可靠性，將ZigBee 無線通信技術(shù)引入電液控制系統(tǒng)中，取代了傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式?；赯igBee無線技術(shù)設(shè)計的電液控制系統(tǒng)可及時為井下上位機和地面監(jiān)控中心上傳液壓支架的工況信息及運行狀態(tài)，為支架的單架及成組控制、自動補液等功能提供閉環(huán)反饋參考，同時ZigBee 無線技術(shù)優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，功耗低、可靠性高，且安裝維護成本低，在實際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的效果。

圖6 支架控制器ZigBee 通信子程序流程框圖