液压支架电液控制系统的设计

王瑞彪

（西山煤电（集团）有限责任公司机电修造园区科技发展分公司， 山西 太原 030024）

引言

液压支架是煤矿井下综采工作面的重要设备之一，分布于整个综采工作面，主要完成采空区的支护工作，即在采煤机后方，液压支架完成降柱、抬底、移架、落底、升柱、伸护帮以及推溜动作，对采空区进行支护，同时将刮板输送机向工作面方向推进一个步距；在采煤机前方，液压支架完成收护帮动作，为采煤机截割煤壁留出空间[1]。为提升综采工作面生产效率，研究液压支架电液控制系统使得液压支架能够根据采煤机实时位置，自动完成各种动作，同时配合采煤机、刮板输送机完成采煤任务。液压支架电液控制系统是集机械、液压以及电气为一体的复杂控制系统，英国道梯公司最早提出并研究液压支架电液控制系统，并形成以控制先导阀为目标的控制体系，并将按钮式微控制液压系统应用于美国的坎赛尔煤矿；德国研制的Panematic2E、Paner2-matic2S5、PM2、PM3 以及PM4 等支架电液控制系统在煤矿井下得到广泛应用；日本三井三池、波兰EMA 以及法国、美国等也先后研制出可靠、功能较完善的液压支架电液控制系统[2-5]。国内的北京煤机厂、郑州煤机厂、煤科总院太原分院等也相继研制出液压支架电液控制系统，并在大同矿务局、邢台煤矿以及神东煤矿得到广泛的应用[6]。为进一步增强液压支架电液控制系统的稳定性、可靠性以及适应性，基于单片机控制技术，完成液压支架电液控制系统的设计。

1 系统设计

煤矿井下液压支架电液控制系统主要完成操作支架的所有动作，如升/降立柱、推溜、移架、拉架等。操作者通过支架控制器的按键发出控制命令，可实现对液压支架的单架控制、临架控制、成组控制、就地闭锁、紧急停止等。液压支架控制器通过获取传感器组实时数据，并经A/D 转换后，结合液压支架控制器存储参数，作为控制液压支架的条件。操作者通过液压支架控制系统，可完成对液压支架控制过程的功能设置和参数设置，设置的参数信息多样且可调，使液压支架控制系统具有较强的灵活性和适应性。操作者通过液压支架控制系统可查看液压支架状态信息，如控制（工作）状态、故障错误信息、设置及参数值、检侧值以及控制器本身的某些运行参数等。液压支架控制器有LED 字符显示窗口，各种LED 状态显示及蜂鸣器作为信息媒体，使系统与操作者之间得到良好的沟通。液压支架电液控制系统设计总体框图见图1 所示，根据综采工作面的长度，配置支架控制器个数。支架控制器获取传感器组数据并经逻辑处理后，控制器电液换向阀进行控制液压支架执行相应的动作。支架控制器之间以RS485进行通信，并经耦合器后与井下主机、井下交换机相连，最终以TCP/IP 通信模式将数据发送至地面主控计算机。

图1 液压支架电液控制系统设计总体框图

2 硬件设计

液压支架电液控制系统中支架控制器主芯片选用C8051F020 高性能处理芯片，一个机器周期只由一个时钟周期组成，可执行一条指令；该芯片允许扩展中断源，可扩展至22 个；片内资源包括8～12 位多通 道ADC，8～64 个 通 用I/O 口，2 个UART 以 及Flash、RAM、片内时钟、看门狗等，满足支架控制器设计要求。电液控制系统中所用的关键传感器主要技术参数如表1 所示。

表1 液压支架电液控制系统主要传感器技术参数

液压支架电液控制系统的电源为双路DC12 V电源，由AC85V-AC265V 电源经A/C 开关电源模块以及过压、过流保护电路处理后，输出DC12 V 电源，保证电液控制系统的正常供电。双向隔离耦合器主要用于对支架控制器之间的RS85 以及SPI 通信信号进行电气隔离和信号耦合，保证电液控制系统通信质量。

3 软件设计

液压支架电液控制系统的软件采用C+汇编语言编程实现，在KeilC51 软件中完成控制系统的软件程序编写，在proteus 软件平台搭建硬件实现电路并进行仿真。图2 所示为液压支架控制系统软件主流程，在完成系统初始化以及资源配置后，执行键盘扫描程序，巡检是否有按键按下。如果有按键按下，则执行按键功能子程序；如果没有按键按下，则检查中断信号，是否需要执行中断子程序。液压支架电液控制系统的中断子程序包括模式切换、单架控制、临架控制、成组控制、集中控制以及远程控制中断子程序。图3 所示为液压支架电液控制系统的模拟量信号采集软件流程，为完成液压支架动作，支架控制器需要实时采集压力、位移、红外以及倾角传感器的模拟量信号，经A/D 转换以及软件滤波后，进行逻辑处理，控制电液换向阀动作。

4 系统测试

在实验室完成液压支架电液控制系统的调试与测试，测试内容主要包括单架单动作控制、邻架单动作控制、邻架联动控制、成组自动控制、急停/闭锁控制以及声光报警控制等。利用液压支架控制人机界面对液压支架进行操作，经对测试数据进行记录、统计和分析，该电液控制系统能够较好地完成液压支架控制。

图2 液压支架控制系统软件流程

图3 模拟信号采集软件流程

5 结语

针对综采工作面液压支架分布数量较多，电液控制系统的实时性、稳定性较差的问题，设计并开发基于C8051F020 芯片的液压支架电液控制系统，在软件实现中设计多种控制模式，满足液压支架的控制要求，同时基于RS485 以SPI 完成支架控制器之间的数据通信。系统测试结果表明，所设计的电液控制系统能够满足综采工作面液压支架控制要求，保证煤矿安全、稳定生产。