煤矿液压支架电液控制系统研究

田海波

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

0 前言

在现代煤矿中，液压支架在煤炭开采中得到了较为广泛的应用，从而使得煤矿综采工作面在自动化、信息化方面得到了很大的提高。液压支架采用电液控制方式，液压支架借助电液控制系统，具有较快的移动速度并能灵活地进行控制，同时信息化技术的使用将极大地减少了煤矿井下作业人员的数量，实现少人甚至是无人化远程管理。为做好液压支架的发展与应用，需要对液压支架的电液控制系统进行深入的研究，并在此基础上积极引入新的技术与工艺，确保电液控制技术能够取得良好的应用效果。

1 液压支架电液控制系统的构成与特点

液压支架电液控制系统主要由主控单元、传感器、控制器、液控阀、总线等部分组成。控制器是液压支架的核心，主要用于操控液压支架。传感器是各类信号传感器（压力、温度、速度、电压等）的总称，其主要用于检测液压支架在井下的运行情况与运行环境，判断液压支架是否正常运行。液控阀等主要用于控制液压回路，实现对于油缸等执行部件的控制。主控单元是信息处理的中心，用于人机交互和对传感器所采集到的各种信号信息进行处理。总线则主要用于构建信息传输网络，将液压支架电液控制系统各组成部分有机地联系在一起。

总体来说，液压支架电液控制系统具有极高的自动化、信息化处理能力，主控单元通过对所采集到的信号进行分析处理，并反馈至操控面板，工作人员选择是以手动方式或是自动方式来操控电液系统，从而使其能够完成相关的动作，各类传感器则检测所执行的动作是否到位。计算机系统是液压支架电液控制系统的信息处理核心，信息采集依靠的是各类传感器，动作执行依靠的是液控阀与各类执行结构。

2 液压支架电液控制系统的设计

2.1 液压支架电液控制系统的硬件构成

液压支架电液控制系统主要由软件、硬件2个部分组成，在设计液压支架电液控制系统时，首先需要设计出硬件系统。液压支架电液控制器硬件结构如图1所示。从结构图中可以看出，液压支架电液控制器主要分为微处理器、通信模块、电源模块、I/O模块以及人机交互模块等部分。微处理器多采用的是高性能增强型单片机，可以采用ARM或是DSP作为主控芯片，用以完成复杂的数据计算和信息处理工作。电源模块部分选用24 V开关电源作为供电电源，液压支架电液控制器硬件电路选用3.3 V的电源芯片，以此来将输入电压转变为控制板上所需要的低电压，为保证供电质量，在液压支架电液控制器中还需要加设滤波和抗干扰功能，以此来为液压支架电液控制器提供低耗能、低噪声、抗干扰能力强的供电[1]。存储模块选用的是高性能大容量固态硬盘与内存，其中大容量的内存能够满足液压支架电液控制器繁复的命令存储与运算需求，而大容量的硬盘可以将液压支架电液控制器的运行信息、数据等充分地记录下来，满足后期调用检查与维护。I/O模块主要用于对输入输出信号进行处理。液压支架电液控制系统中不仅接收了大量的数字信号，同时也会接收大量的模拟信号，I/O模块通过加装专用的数字和模拟模块，来将相关信号转换为计算机能够识别的数字信息，MCU通过对输入的信息进行处理，液压支架电液控制系统自动控制程序或是人机交互界面由人工操作所产生的控制信息，将经由I/O模块转换为现场液压支架电液控制阀等能够识别的控制电压、电流等，完成对于液压支架的电液控制。传感器主要用于对液压支架各部分的数据进行采集和分析，例如：液压支架液压压力、采煤机移动距离、电流电压等[2]，由于需要采集的信号众多，因此，需要结合现场的实际情况合理地对传感器的型号、数量进行选取，做到最优配置。如果需要对模数混合信号进行采集，可以选用多路信号采集器。液压支架电液控制系统采用CAN总线完成控制主机与各终端之间的通信连接。电磁驱动模块通过对数字信号进行解读，并转换成模拟电压信号来控制各电磁阀的开度。人机交互界面主要用于输入操作人员的在线监控与指令，并可根据实际情况对相关的参数进行修改或设置。

2.2 液压支架电液控制系统位置检测子系统的设计

液压支架电液控制系统位置检测采用的是红外感应检测技术，分别安装在采煤机和液压支架上，液压支架电液控制系统位置检测子系统结构如图2所示。需要注意的是，安装在液压支架和采煤机上的位置检测装置为配套系统。在硬件电路的设计上，检测系统的发射模块向接收端发射红外信号，接收端则需要对所接收到的红外信号进行解码，并将其发送至控制器中来确定液压支架和采煤机两者之间的位置。将所计算出的信号传输至支架控制器中来完成对于液压支架的自动化控制。

图1 液压支架电液控制系统结构图

图2 液压支架电液控制系统位置检测子系统结构图

2.3 巷道主机的设计

巷道主机是控制液压支架的重要设备，其采用单片机的设计，在满足使用要求的基础上需要做好抗干扰性、可靠性的设计。液压支架电液控制系统整体采用220 V供电，主机通过变换转变为24 V的本安电源模块，巷道主机显示与主板使用24 V供电，巷道主机利用各种接口（如以太网、串口等）与其他设备进行信息交换。巷道主机使用2硬盘进行存储。

2.4 液压支架电液控制系统软件的功能

液压支架电液控制系统软件可以对采煤机运行线路、运行位置、首末液压支架架号、各支架架号、驱动器状态以及支架喷雾情况等进行显示，并将各支架的运行信息显示在人机交互界面中供操作人员查看操作。液压支架电液控制系统软件设计时需要充分考虑各方因素，尤其是要注意做好人机交互，为用户提供良好的使用体验。

2.5 液压支架电液控制系统网络搭建

由于液压支架电液控制系统在井下作业时面临着复杂的井下情况，为保障液压支架电液控制系统的安全运行，需要对液压支架电液控制系统所使用的网络进行防护保护。液压支架电液控制系统井下网络需要使用10/100 Mbit/s网络与光纤交换机井下主机相连接，使用TCP/IP完成信号的传输。液压支架电液控制系统的地面主控站与井下主机之间及相关配套设备使用CAN总线或是PROFIBUS总线进行连接通信，各支架控制器之间采用双工串行通信方式。利用上述方案建立的液压支架电液控制系统通信网络将具有良好的通信性能和抗干扰性能。双工串行通信充分利用了串行通信“点对点”的传输特性，并在信息中加入数据验证、错位诊断等方式，从而有效地保证了液压支架电液控制系统网络的安全、可靠运行[3]。

3 结语

液压支架是煤矿开采中的重要设备，液压支架将能够有效提升煤矿巷道井下的支护水平。随着各种新技术的应用，液压支架的信息化、自动化水平得到了有效提升，从而使煤矿综采自动化水平得到了极大提升。液压支架电液控制系统能够实现对于井下液压支架的自动化控制，减少井下作业人员的人数，提高煤矿井下作业的安全性。该文在分析液压支架电液控制系统结构特性的基础上，对如何做好液压支架电液控制系统的设计及设计中所需要注意的问题进行了介绍。