礦用液壓支架控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊鵬飛

（西山煤電機(jī)電廠， 山西 太原 030053）

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面核心“三機(jī)”設(shè)備之一，沿綜采工作面排列，用于支護(hù)采空區(qū)，與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)同完成采煤任務(wù)。液壓支架控制器是控制液壓支架單機(jī)動(dòng)作、多機(jī)聯(lián)動(dòng)、支護(hù)功能的核心設(shè)備，具有非常重要的作用[1-2]。具有代表性的液壓支架控制器有德國(guó)的PM31、PM32、PM4，美國(guó)的RS20 等，其在實(shí)現(xiàn)液壓支架實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制的同時(shí)，加入故障診斷、在線檢測(cè)等功能。鄭州煤機(jī)、天地瑪珂等單位也相繼研發(fā)出了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓支架控制器，存在的主要問題如下：控制器的實(shí)時(shí)性差、控制方法單一；傳感器數(shù)據(jù)處理精度差，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；通信系統(tǒng)不完善，故障率高。本文為適應(yīng)綜采工作面智能化、信息化、少人化需求，研究并開發(fā)高可靠性、高實(shí)時(shí)性并滿足綜采工作面實(shí)際生產(chǎn)需求的液壓支架電液控制器。

1 總體設(shè)計(jì)方案

液壓支架控制器硬件設(shè)計(jì)總體方案如圖1 所示，中央處理器采用STM32F105 系列芯片，由最小系統(tǒng)擴(kuò)展鍵盤、顯示、擴(kuò)展RAM 等功能[3-4]。根據(jù)液壓支架控制器功能要求，外界數(shù)字量輸出接口用于控制液壓支架推溜、伸縮支護(hù)板等動(dòng)作。由中央處理器擴(kuò)展光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路后輸出模擬量信號(hào)，用于控制液壓支架電磁閥動(dòng)作，同時(shí)通過安裝在液壓支架機(jī)身的傳感器將液壓支架動(dòng)作數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息反饋給中央處理器；傳感器組包括安裝在單臺(tái)液壓支架機(jī)身的油溫壓力傳感器、液位傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器、位移傳感器、外濃度傳感器等。中央處理器擴(kuò)展數(shù)字量輸入信號(hào)，用于接收控制液壓支架的急停信號(hào)、閉鎖信號(hào)及接近開關(guān)信號(hào)。液壓支架控制器的供電電源為DC5V，由外部電路經(jīng)DC24V轉(zhuǎn)換得到。中央處理器支持RS485、SIP 通信，完成液壓支架本體與鄰近液壓支架及液壓支架組的通信。

圖1 液壓支架控制器總體設(shè)計(jì)方案框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器分析

2.1.1 主控制器輸入信號(hào)

在每架液壓支架機(jī)身安裝有急停信號(hào)，用于危險(xiǎn)或者緊急情況時(shí)停止液壓支架動(dòng)作。液壓支架上安裝有聯(lián)動(dòng)閉鎖信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，液壓支架進(jìn)行成組控制；該信號(hào)無效時(shí)，液壓支架進(jìn)行單機(jī)控制。在液壓支架油缸內(nèi)安裝有油缸壓力傳感器、油缸位移傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油缸壓力及位移[5]。為確認(rèn)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置，在每架液壓支架機(jī)身安裝紅外定位傳感器及超聲波傳感器，用于確認(rèn)采煤機(jī)與液壓支架相對(duì)位置。液壓支架控制器輸入量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 主控制器輸入信號(hào)

2.1.2 主控制器輸出信號(hào)

主控制器的輸出信號(hào)包括模擬量、數(shù)字量?jī)煞N，根據(jù)液壓支架工藝流程，液壓支架需完成的動(dòng)作有升降立柱、護(hù)幫伸/縮、抬底、推溜、拉架、噴霧等操作，詳細(xì)的輸出信號(hào)見表2。

表2 主控制器輸出信號(hào)

2.1.3 主控制器選型

STM32F105 系列控制器應(yīng)用廣泛，其內(nèi)核為ARMCortex-M3 的32 位RISC，該內(nèi)核中的閃存大小為128 kB，同時(shí)其還擁有20 kB SRAM，頻率大小為72 MHz，其中含有兩條APB 總線，這兩條總線和兩個(gè)部分連接在一起，一個(gè)是增強(qiáng)型I/O，還有一個(gè)是外設(shè)接口。這個(gè)系列有很多種微處理器，但是所有的處理器都配備了PWM 定時(shí)器，其中還包括三個(gè)通用的定時(shí)器。除此之外，其中還含有兩個(gè)外設(shè)，分辨率是12 位。這個(gè)處理器的工作電壓范圍在2～3.6 V，其正常工作的溫度范圍為-40～+85 ℃。

2.2 主控制器電路設(shè)計(jì)

液壓支架控制器電路電源使用的是礦用本安型電源，這種電源可以輸出12 V 大小的電壓，其中需要利用D1 和D2 對(duì)于電源的導(dǎo)通方向進(jìn)行限制，接著就會(huì)經(jīng)過C9 主要的作用就是穩(wěn)壓，然后是C7 主要的作用是進(jìn)行濾波，最后得到的電源將會(huì)穩(wěn)定在5 V 左右。其中還有一個(gè)重要的部分，即鉭電容C10，這個(gè)電容主要的作用有兩個(gè)，一個(gè)是提升穩(wěn)定性，還有一個(gè)是對(duì)于其中的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化[6-7]。5 V 電壓最終轉(zhuǎn)化成3.3 V，主要是通過AS1117AR-3.3 來實(shí)現(xiàn)的?？梢园l(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)中一共含有兩種電壓，所以電源也將采用兩級(jí)電源的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而滿足系統(tǒng)供電的需要。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖2 電液控制器電源模塊電路圖

液壓支架電液控制器軟件平臺(tái)基于Keil ARM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)支持C 語言、匯編語言及多種高級(jí)語言編程，可在線完成代碼的編寫、調(diào)試及仿真[8]。按照液壓支架工藝流程，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)動(dòng)作模塊、系統(tǒng)邏輯處理模塊、系統(tǒng)故障報(bào)警模塊、系統(tǒng)通信模塊等。模塊之間設(shè)計(jì)接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)互通。液壓支架電液控制器軟件設(shè)計(jì)總體方案流程如圖3 所示。液壓支架電液控制器上電后，首先完成系統(tǒng)自檢及系統(tǒng)初始化工作，當(dāng)系統(tǒng)本身無故障后，循環(huán)等待中斷處理程序。當(dāng)中斷信號(hào)到達(dá)后，判斷該中斷類型，如果為串口中斷信號(hào)，則進(jìn)入串口中斷處理程序；如果為鍵盤中斷信號(hào)，則進(jìn)入鍵盤中斷處理程序；如果為定時(shí)中斷信號(hào)，則進(jìn)入定時(shí)中斷處理程序。液壓支架各動(dòng)作執(zhí)行時(shí)為定時(shí)中斷信號(hào)。當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行完畢后，返回并繼續(xù)等待中斷信號(hào)。為提升液壓支架電液控制器的運(yùn)行速度，軟件編寫時(shí)采用C 語言與匯編語言混合編程方法實(shí)現(xiàn)，并通過軟件平臺(tái)完成軟件程序的單位測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試和仿真。

圖3 液壓支架電液控制器軟件設(shè)計(jì)總流程

4 試驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室完成液壓支架控制器的聯(lián)合試驗(yàn)與調(diào)試，連接液壓支架控制器、人機(jī)界面及隔離耦合器等模塊，基于實(shí)驗(yàn)室對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)工作面支架進(jìn)行模擬，通過聯(lián)合調(diào)試，對(duì)多臺(tái)液壓支架電控系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。在分析液壓支架功能、設(shè)計(jì)試驗(yàn)的前提下，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)與分析，從中得出控制系統(tǒng)的功能與試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求相符合的結(jié)論。與此同時(shí)，電液控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)趨于穩(wěn)定，在可操作性、控制實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)處理精度及通信等方面也具有較突出的優(yōu)勢(shì)，與預(yù)期效果基本相符。

5 結(jié)語

根據(jù)煤礦井下綜采工作面實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)的液壓支架控制器，解決了原控制器存在的實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)處理精度差、通信功能不完善的問題，進(jìn)一步強(qiáng)化了液壓支架控制系統(tǒng)的智能化、信息化水平，為綜采工作面的少人化、無人化建設(shè)提供了一種解決方案。