矿井液压支架自动化跟机控制系统设计

左胜辉

(西山煤电集团有限公司 东曲矿多经公司更新厂，山西 古交 030200)

0 引言

矿井综采工作面的开采环境复杂恶劣，存在很大的安全隐患，尤其是薄煤层工作面，实际工作空间非常狭小，不利于人工现场实时操控设备。目前矿井机械化开采自动化水平低，通常通过人工手动控制方式或者半自动方式进行设备控制，对机械设备不能做到物尽其用，而且设备之间联动性差，往往只能进行单一动作或是单设备动作，严重影响了煤矿的开采效率和经济效益。同时，目前煤矿开采过于依靠人工现场的控制方式进行操作，工人劳动强度大[1，2]。

为提高综采工作面的自动化技术水平，降低人工成本，本文设计了一套集信息全面检测、联动控制、远程通信三位一体的液压支架自动化跟机控制系统，通过对液压支架和采煤机全方位、全生命周期的动态信息检测，使液压支架可根据采煤机的工作位置和运行方向实现自动化跟机，显著提高了设备的自动化水平，降低了人工成本。

1 系统总体方案

图1为液压支架自动化跟机控制系统的总体框图。整个系统由上位机监控平台、主控制器、液压支架分控制器、液压支架传感检测系统、采煤机传感检测系统、视频监控系统和电磁阀驱动模块等组成。

图1 液压支架自动化跟机控制系统的总体框图

其中，上位机监控平台用于显示成组支架的传感检测数据、支架的动作信息、采煤机的位置信息，根据相应的分析和判断发布控制操作指令，此外还具备打印、数据存储、故障报警等功能；主控制器发挥承上启下的功能，用于进行支架分控制器和上位机之间的信息双向传输及对采煤机位置的分析判断，主控制器与支架分控制器之间通过SPI方式进行数据传输；支架分控制器用于直接监测液压支架的运行工况，同时直接控制支架进行相应的推溜、移架、护帮、护顶、循环割煤等动作，各支架控制器之间通过CAN总线进行信息交流；采煤机传感检测系统用于实时定位采煤机的推进位置、距离、方向，并反馈给支架分控制器，为支架的移架动作提供数据支持；液压支架传感检测系统用于检测液压支架的各部位受压情况、姿态变化情况及千斤顶推移情况，作为支架故障的判据；电磁阀驱动电路用于驱动液压回路执行千斤顶的伸缩动作；视频监控系统负责进行图像检测，以更直观、更全面的方式给工作人员提供液压支架、采煤机的运行情况。

2 硬件方案设计与选型

2.1 控制器设计与选型

主控制器负责采集所有检测数据并进行智能处理，包括采煤机传感检测系统及各液压支架传感检测系统的数据，同时下发控制指令。主控制器选用 BCM2835 芯片，该芯片具备40个 GPIO口，可支持多个支架分控制器与主控制器进行 SPI 总线信号传输，同时支持HDMI/VGA/DVI 等多种视频信号输出[3]。

支架分控制器是液压支架实现跟机自动化的核心设备，每架液压支架皆配置一台分控制器，同时配置相应的电磁阀、传感器，各分控制器之间通过CAN总线进行连接。根据实际需求，分控制器选用STM32F103ZET6单片机，该型号单片机扩展性强、运行速度快，拥有2个CAN接口、3个SPI接口，完全满足系统需求。

2.2 传感检测系统设计与选型

系统包含两个传感检测系统，即采煤机传感检测系统和液压支架传感检测系统。

采煤机传感检测系统通过红外传感器、D齿轮传感器配合检测的方式来精准定位采煤机的实时位置和运行方向，为液压支架的推移操作提供数据支持。将D齿轮传感器安装于采煤机牵引部齿轮上，该传感器可实时统计行走部牵引齿轮的脉冲，以此来测算采煤机的行走距离。红外传感器包括红外发射器和红外接收器两部分。红外发射器安装在采煤机机身，红外接收器安装在液压支架上，两者相互配合，当采煤机向前移动时，红外接收器会收到红外信号，支架分控制器根据接收的信号便可得到采煤机的工作位置信息。

液压支架传感检测系统包括3个倾角传感器、1个压力传感器和一个行程传感器，每台液压支架都要配置。3个倾角传感器分别安装于顶梁、掩护梁和底座，用于实时检测液压支架的支护位姿；位移传感器负责检测支架的移架距离；压力传感器负责检测立柱的支撑压力，用于实时检测支架立柱升柱或者降柱的压力信号，为判断液压支架的状态提供数据支持。

本文对需要的传感器进行了具体选型，表1为传感器的具体型号。

表1 传感器具体选型

2.3 信号转换电路设计

传感检测系统输出的电压信号为4.5 V，与液压支架分控制器的电压识别信号不一致，故设计如图2所示的传感器信号转换电路进行信号调理，调理完成后再输入支架分控制器。

图2 传感器信号转换电路

3 系统软件方案设计

实现液压支架自动化跟机需要多种自动化控制动作相互配合完成，主要包括支架“降移升”和推溜循环动作，该项工作主要由支架分控制器控制完成。分控制器选用STM32F103ZET6单片机，使用KeilμVision4开发工具进行程序开发，该软件是德国Keil 公司的一款可以无缝对接STM32F103ZET6微控制器的开源软件，集编译、仿真、下载等功能于一体，其编程便捷，操作方便，对编程人员非常友好[4]。图3为液压支架自动化跟机动作的流程框图。

图3 液压支架自动化跟机动作流程框图

具体工作流程为：主控制器根据红外传感器和D齿轮传感器反馈的信息，精准定位采煤机的运行位置和方向，进而根据事先设定的控制流程控制液压支架相应的降移升动作和推溜动作。在液压支架移架过程中，除了进行动作之外，同时需要传感器检测系统实时反馈液压支架的执行动作情况，由此判断移架具体的执行程度。过程中加了电平检测环节，当检测电平为“1”时，说明移架动作顺利执行；当检测电平为“0”时，说明未执行移架操作，需要按照设定要求重新执行。

4 结论

矿井综采工作面工作环境复杂，原有设备的自动化水平已经无法满足当下煤矿开采的需求。本文利用传感器检测技术、微控制器技术、网络通信技术等设计了一套液压支架自动化跟机控制系统，实现了液压支架与采煤机的协调控制与联动工作，通过采煤机传感检测系统、液压支架传感检测系统的协同配合使用，不仅实现了液压支架的跟机自动化，而且实现了液压支架、采煤机的闭环管理和液压支架降移升精准的循环控制，具有很大的应用价值。