煤礦用支架電液控系統(tǒng)原理探究

祝大焦，龍丹丹，劉懷蓮

（棗礦集團(tuán)電力公司，山東棗莊，277011）

1 煤礦支架電液控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外煤礦支架電液控系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，英國(guó)研制出世界上第一臺(tái)垛式液壓支架，成功在澳大利亞科里曼爾煤礦進(jìn)行應(yīng)用。1985年研制出第二代電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在運(yùn)輸巷內(nèi)安裝控制臺(tái)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制完成對(duì)所連支架控制，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面支架的集中控制。

同時(shí)期，德國(guó)、美國(guó)等國(guó)先后開(kāi)始電液控系統(tǒng)的研究。德國(guó)威斯特伐利亞公司與西門子公司聯(lián)合研制成功的PANZERMATIC-E系統(tǒng)，是德國(guó)國(guó)內(nèi)第一套液壓支架電液控制系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，電液控制技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得大規(guī)模應(yīng)用。以美國(guó)的電液控系統(tǒng)應(yīng)用作為參考，1994年末期，美國(guó)全國(guó)共計(jì)81個(gè)煤礦綜采工作面，其中有73個(gè)配備了電液控制系統(tǒng)。電液控應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了90%多，兩年后該比例逼近92.7%。

1.2 國(guó)內(nèi)煤礦支架電液控系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

與西方國(guó)家相比較，我國(guó)在液壓支架及其電液控制技術(shù)方面的研究起步較晚。20世紀(jì)70年代開(kāi)始引進(jìn)德國(guó)、英國(guó)的支架電液控系統(tǒng)。

1991年鄭煤機(jī)自行研制電液控系統(tǒng)DYZK-I型，開(kāi)始試驗(yàn)應(yīng)用。1996年煤炭科學(xué)院研制YLT型電液控系統(tǒng)，并展開(kāi)試驗(yàn)應(yīng)用。2008年3月鄭州煤機(jī)廠研制的電液控制系統(tǒng)，通過(guò)國(guó)家試驗(yàn)檢測(cè)中心的測(cè)試認(rèn)證獲得相關(guān)資質(zhì)證書，標(biāo)志著支架電液控系統(tǒng)技術(shù)在我國(guó)徹底被攻克，我國(guó)采煤支護(hù)技術(shù)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。

2 煤礦支架電液控系統(tǒng)

目前煤礦支架電液控系統(tǒng)是集機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)為一身的系統(tǒng)。通過(guò)程序的相互參數(shù)設(shè)置，達(dá)到偵測(cè)煤機(jī)位置，驅(qū)動(dòng)支架完成各種動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)采煤的目的。實(shí)現(xiàn)采煤的自動(dòng)化減少采煤工作面工人的數(shù)量，降低采煤工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

煤礦支架電液控系統(tǒng)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(jī)不能操作，對(duì)鄰架進(jìn)行操作，保證了操作人員的安全。

煤礦支架電液控核心執(zhí)行部件為先導(dǎo)閥，它是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓控制的部件。

煤礦支架電液控系統(tǒng)圖如圖1所示，包括：地面調(diào)度監(jiān)控中心，井下監(jiān)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(qū)動(dòng)器。

煤礦支架電液控系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：（1）采用控制器作為支架的控制中樞，便于集中操作，響應(yīng)速度快達(dá)到ms級(jí)；（2）控制器支架能夠根據(jù)參數(shù)無(wú)條件地控制鄰架，或者幾架成組操作；（3）控制器通過(guò)CAN總線通信能夠方便地進(jìn)行更新程序、參數(shù)等操作；（4）采用紅外線偵測(cè)采煤機(jī)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(tǒng)原理探究

3.1 控制器結(jié)構(gòu)探究

煤礦支架電液控系統(tǒng)的控制器是支架集中控制的核心設(shè)備，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)緊湊固定于防爆外殼中，其結(jié)構(gòu)為：顯示器，矩陣鍵盤，急停閉鎖按鈕，狀態(tài)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(jí)設(shè)計(jì)，采用12V直流電源有利于使用安全。

3.2 控制器硬件電路結(jié)構(gòu)圖

控制器硬件結(jié)構(gòu)由大部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理如圖3所示。

控制器的基本組成結(jié)構(gòu)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制核心，起到控制作用，接收矩陣鍵盤的命令信號(hào)，用來(lái)顯示，并且執(zhí)行；矩陣鍵盤接收工作人員的操作，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)；狀態(tài)指示燈指示控制器的工作狀態(tài)；急停閉鎖按鈕對(duì)控制器起到緊急關(guān)停的作用；AD模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)供顯示和判斷用；通信模塊，與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信或者與鄰架進(jìn)行通信等；各結(jié)構(gòu)相互配合共同完成控制任務(wù)。

3.3 壓力傳感器原理分析

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

該壓力傳感器能將0～60MPa的壓力轉(zhuǎn)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(cè)量，能夠準(zhǔn)確地顯示壓力，并且采用具有足夠的檢測(cè)精度。如果使用擴(kuò)散硅壓力傳感器模塊最大監(jiān)測(cè)壓力能達(dá)到100MPa。

控制器通過(guò)A/D模塊將壓力傳感器傳過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并顯示在顯示屏上。

控制器根據(jù)管道內(nèi)壓力的數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓，保持支架立柱內(nèi)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(jī)位置的器件：煤機(jī)上面安裝有紅外線發(fā)射器Ug，支架上安裝有紅外線接收器Ut，從而確定煤機(jī)所在的支架號(hào)數(shù)并顯示在控制器上。

紅外線傳感器由紅外線傳感器模塊、轉(zhuǎn)換電路、四芯連接器組成。當(dāng)紅外線傳感器模塊接收到紅外信號(hào)后經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過(guò)連接器將信號(hào)傳遞給控制器。從而確定煤機(jī)的位置。

紅外線傳感器的采用紅外線接收器，同時(shí)測(cè)量紅外線來(lái)源的角度，能夠判斷采煤機(jī)是在此紅外傳感器的正前方還是上行或者下行。

3.5 驅(qū)動(dòng)器原理分析

驅(qū)動(dòng)器是將控制器的命令信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)具體先導(dǎo)閥的設(shè)備，每一根線控制器一個(gè)電磁閥兩個(gè)功能。

通過(guò)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(hào)后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為具體驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作的信號(hào)。驅(qū)動(dòng)接口與電磁先導(dǎo)閥連接，驅(qū)動(dòng)電磁先導(dǎo)閥動(dòng)作，從而控制立柱的升降。

單片機(jī)接收到信號(hào)后將控制傳來(lái)的動(dòng)作信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體每一路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥進(jìn)行動(dòng)作從而驅(qū)動(dòng)此路主閥動(dòng)作進(jìn)行通液。

3.6 電磁先導(dǎo)閥原理分析

電磁先導(dǎo)閥是連接電控與液控的執(zhí)行元件，它將電控信號(hào)轉(zhuǎn)換為液控驅(qū)動(dòng)信號(hào)，打開(kāi)液控主閥的電開(kāi)關(guān)。

該電磁先導(dǎo)閥電磁部分結(jié)構(gòu)分為：線圈、轉(zhuǎn)換電路、先導(dǎo)閥接口。當(dāng)電磁先導(dǎo)閥接收到驅(qū)動(dòng)器12VDC的電路后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換，從而驅(qū)動(dòng)線圈動(dòng)作，打開(kāi)或者關(guān)斷電磁先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥關(guān)閉時(shí)反向二極管吸收線圈所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)快速的關(guān)斷先導(dǎo)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(jī)、CAN通信模塊、集成開(kāi)關(guān)電源模塊、模擬電路、顯示屏驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路等，其主要以數(shù)字電路為主。通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，共同完成控制任務(wù)。

4.1 NXP LPC2294HBD144單片機(jī)介紹

NXP LPC2294HBD144單片機(jī)是以ARM控制核心為基礎(chǔ)的單片機(jī)，以其低功耗和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)逐漸步入高端市場(chǎng)，成了主流產(chǎn)品。采用了新型的32位ARM內(nèi)核，使其在指令系統(tǒng)，總線結(jié)構(gòu)，調(diào)試技術(shù)，功耗以及性價(jià)比等方面性能優(yōu)越。同時(shí)ARM單片機(jī)在芯片內(nèi)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(jí)NXP單片機(jī)，其特性如下：具有先進(jìn)的指令域，使其指令集和指令譯碼都得到了極大簡(jiǎn)化。具有統(tǒng)一的寄存器，使指令執(zhí)行速度加快。采用特殊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理時(shí)僅對(duì)寄存器操作。采用自動(dòng)尋址方式，進(jìn)一步提高循環(huán)程序的執(zhí)行速度。引入寄存器操作指令，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理速度的最大化。

4.2 時(shí)鐘電路介紹

煤礦液壓支架控制器采用11.0592MHz晶振，時(shí)鐘頻率較高，執(zhí)行代碼速度快使控制器相應(yīng)速度提高。串口芯片SC16IS752的時(shí)鐘芯片采用1.8432MHz晶振。 目前單片機(jī)普遍采用此功能的晶振作為時(shí)鐘頻率，提高了代碼的執(zhí)行效率。使控制器在相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器，該隔離器為四通道數(shù)字隔離器。不需要外部驅(qū)動(dòng)器和其他分立器件，能邏輯控制其工作技術(shù)參數(shù)先進(jìn)：支持多種通道配置和最高達(dá)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率。通用多通道隔離SPI 接口/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器隔離、RS-232/RS-422/RS-485收發(fā)器、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線隔離。

該數(shù)字隔離器應(yīng)于與控制器將信號(hào)進(jìn)行隔離，更好的保護(hù)控制單元，使信號(hào)穩(wěn)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(cè)與NXP的輸入引腳相連。當(dāng)K1按下后，給NXP引腳一個(gè)高電平，同時(shí)LED1點(diǎn)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(qū)動(dòng)電路圖，1#引腳接地、2#引腳電源、4#引腳為數(shù)據(jù)/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(shù)據(jù)傳輸引腳。

4.6 軟開(kāi)關(guān)介紹

煤礦液壓支架控制器采用貼片三極管作為軟開(kāi)關(guān)電路的主要元器件，三極管工作在開(kāi)關(guān)模式。三極管的基極作為控制極，添加導(dǎo)通電壓后導(dǎo)通，起到控制電路導(dǎo)通的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入輸出口的控制。在輸出口串聯(lián)自恢復(fù)保險(xiǎn)，能自動(dòng)保護(hù)下游電路，并且當(dāng)故障消除后能自行恢復(fù)。電路圖如圖10所示，R7為限流電阻、Q1為三極管開(kāi)關(guān)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(yīng)用程序：底層程序主要是寫入單片機(jī)中，控制器的最基礎(chǔ)的應(yīng)用；應(yīng)用程序主要為輸入輸出的控制，A/D模塊的驅(qū)動(dòng)，顯示驅(qū)動(dòng)控制通信等。

5.1 底層程序結(jié)構(gòu)探究

控制器底層程序結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，上電后檢測(cè)存儲(chǔ)器內(nèi)是否有應(yīng)用程序，如果沒(méi)有則進(jìn)行更新程序的提示，并檢測(cè)確認(rèn)鍵是否按下，更新程序確認(rèn)鍵按下后開(kāi)始從左鄰架或者右鄰架進(jìn)行程序自動(dòng)更新。如果沒(méi)有人工進(jìn)行操作則一直報(bào)警等待。如果有程序則調(diào)用執(zhí)行應(yīng)用程序。

5.2 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)探究

控制器應(yīng)用程序上電后首先檢測(cè)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(bào)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(cè)是否進(jìn)行工作面編址，如果沒(méi)有則控制器提示編址錯(cuò)誤，并提示進(jìn)行控制器編址。在編址正確的情況下，控制器程序檢測(cè)參數(shù)設(shè)置情況，必須進(jìn)行完正確的參數(shù)設(shè)置后方能進(jìn)行控制器的操作。

控制器應(yīng)用程序識(shí)別按鍵的并執(zhí)行相應(yīng)的功能，當(dāng)進(jìn)行鄰架操作時(shí)按下鄰架操作按鈕，待控制器提示能進(jìn)行鄰架操作后方能進(jìn)行操作。控制器程序結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)控制硬件和軟件的探究，使我對(duì)控制器的原理有了深入的了解，以工作經(jīng)驗(yàn)提高了自身理論水平。通過(guò)分析控制器內(nèi)部硬件的組成，對(duì)于控制器的各部分的電路構(gòu)成有了深入的了解。在工作中通過(guò)對(duì)操作軟件的操作，總結(jié)了大體的軟件結(jié)構(gòu)及其工作原理對(duì)本職工作有了較大提高。