液压支架控制器的设计与实现

冯 博

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司机运部， 山西 昔阳 045300）

引言

随着煤炭开采自动化程度的不断提升，越来越多的煤炭企业开始使用煤炭支架控制器来处理整个井下自动化系统。作为煤矿井下自动化控制系统的核心，液压支架控制器在井下开采作业中可以实现由编程控制的自动化处理，机械化程度高，同时也可以改善工作人员的环境，提高生产安全率和生产效率。液压支架控制系统是通过协议的通信网络[1]，实现其对液压支架控制器本身及其他井下机械自动化设备的控制，最终达到井下完全自动化处理，无人值守的目的。

1 液压支架控制器的介绍

液压支架控制器由协议通信网络、井上控制主机、井下控制主机、井下控制分机、支架控制和电源组成[2]，其具有远程控制、实时监控和系统参数修改等功能，其控制中心是协议的通信网络系统。

液压支架控制器的工作过程为: 井下的监控系统和性能感应器等其他设备在液压支架工作时进行监控，记录其工作状态，利用监控和记录数据分析井下整个系统的运行状况。而井下控制主机和井上控制主机通过协议通信接口[3]（一般使用RS485 和SPI），实现井下和井上控制室的实时连接和数据传输。当井下发生状况或需要任务命令时，井下控制室第一时间将情况传往井上控制室，井上控制室根据经验和协定程序对事件或者任务命令进行处理，再发往井下，达到控制目的。此外，根据不同的工作要求和施工条件，井上控制室可以通过调整液压支架控制器参数的模式来适应不同的需求，其工作结构框图如图1 所示。

为了实现实时监控和远程控制，液压支架控制系统主要部分需要具备的功能为：

图1 液压支架控制器结构框图

1）井上控制主机：记录并保存设备运行状态，根据不同的工作需求设定不同参数。发生情况时，根据记录到的信息解决系统需求，对井下发出控制命令。

2）井下控制主机：对井下工作系统进行实时监控，将数据传往井上控制主机，根据井上控制主机的命令对支架控制系统进行控制。

3）液压支架控制器：根据井下控制主机命令进行控制工作，将井下整个开采系统的工作状态记录下来发往井下控制主机。

2 液压支架控制器的设计

液压支架控制器作为井下机械系统的核心组成部分，为了实现控制运行功能，设计了以下四种工作模式：

1）主控模式：控制主机选择某液压支架控制器进入主控模式，该液压支架控制器进入被控制状态，不会处理其他控制器的命令。

2）从控模式：当液压支架控制器处于从控模式，可以接受任何控制器发来的工作命令，协助主控控制器进行作业。

3）空闲模式：该液压支架控制器处于空闲状态，等待接收命令。

4）闭锁模式:当液压控制器处于闭锁状态时，控制器会停止工作任务，进入闭锁状态，不接受任何任务，该模式用于液压控制器的故障排查和设备维修。

2.1 液压支架控制器硬件的设计

图2 液压支架控制器硬件结构框图

液压支架控制器硬件的结构框图如下页图2所示，主要包括通信接口、开关量输入、开关量输出和电源[4]。电源采用双路电源，由3.3 V 和5 V 两种电压供电。通信接口使用串口协议来实现各个控制器之间的信息交换，中央控制系统则使用RS485 总线进行通信和下达工作命令。采用SPI 总线协议读取控制系统数据，外扩RAM主要用来保存控制系统工作时的数据。A/D 采样电路使用传感器输出，通过各个传感器的协调合作，支架可以实现实时监控，将数据传往控制主机。开关量的输入控制按钮位于各个控制器的面板上，由传感器和控制处理系统传来的信息将显示在控制器的屏幕上，根据不同的工作需求，开关量输出可以控制液压支架采取不同工作命令。

2.1.1 输入信号的硬件电路的设计

根据上述液压支架控制器结构，设计了外部闭锁、外部急停、接近开关和保护四种开关量的输入信号。在支架控制中心的面板上，存在正常工作和非正常工作两种状态，其表现为控制面板上控制按钮的状态。当系统正常工作时，按钮处于按下状态。当发生故障时，按钮会弹起激活外部闭锁或是在外部急停状态发出警报。

2.1.2 输出信号的硬件电路的设计

液压支架控制器的输出信号首先对电磁先导阀组进行驱动[5]，通过电磁先导阀组控制主控阀组。根据不同的任务要求，主控阀组驱动不同的液压罐进行不同的工作任务。

2.2 液压支架控制器软件的设计

液压支架控制器的软件设计可以分为：主控CPU 的模块初始化程序，包括看门狗程序、系统计时程序和信号标志程序。各个子模块的初始化程序，其中包括RS485 通信、SPI 通信、输入信号和输出信号的处理程序。系统在接通电源后，首先检查位于主控中心的急停按钮状态，检查完毕后再检查外部闭锁按钮状态。如果这两个按钮有一个处于按下状态，则整个系统停止工作，不能执行任何命令。当两个按钮都处于正常状态时，系统等待中断信号，如果检测到中断信号则执行中断命令。如若没有，则继续等待，直到出现中断信号。

液压支架控制器软件编程选用C语言，采用Keil software 公司的Keil uVision3 集成开发环境。对于系统的开关量输入信号（外部急停、外部闭锁、接近开关和系统保护），将四个输入信号都进行可视化处理，设置四个不同的按钮位于控制器的面板上。一旦出现问题，控制室操作人员可以及时按下按钮停止工作面的生产工作，直到急停命令取消。对于系统的开关量输出信号，控制器的支柱在接收到任务后开始液压升柱，直至支架有一定的支撑力。

3 液压支架控制器的调试和应用

在完成设计后，对液压支架控制器进行调试，包括井下控制主机和10 架液压支架控制器。

在进行液压支架控制器的调试时，按照人为操作为最高级进行控制，即工作人员的手动操作优先。液压支架控制器的工作按照工作人员的手动操作为主，当系统在执行程序命令时，工作人员手动发出指令，系统也会停止工作。当系统完全处于程序控制时，也运行良好，各个部分按上机位的命令进行作业。

该设备现由郑州煤矿机械集团进行生产，现已上市的液压支架控制器在广泛的一线生产作业已取得广泛好评，有良好的经济效益和社会效益。

4 结语

通过对液压支架控制器的工作要求和性能指标进行分析，得到了该系统的工作原理。根据其工作原理，设计了液压支架控制器，包括硬件和软件的设计。最后，还对设计进行了调试，在调试实现中发现了有时命令太多会引起控制器进入停摆的现象。此外，还存在命令反应时间太长等缺陷，这些都是将来需要研究的方向。但总得来说，目前该设计满足现有的煤炭开采需求，在实际应用中取得了良好的经济效益。