液压支架电液控制系统关键技术研究

侯茂森

（山西焦煤西山煤电杜儿坪矿， 山西 太原 030000）

引言

目前以液压油缸为主要传动机构的液压支架大多采用电液控制方式实现单个及成组支架的移动、升降柱、梁体及护帮伸缩等操作，因此相应电液控制系统的性能及可靠性对于提高液压支架自动化控制水平至关重要[1-3]。

目前国内自主研发的电液控制系统在结构上大多沿用国外成熟技术，通信方式均采用以串口及CAN 总线为主的有线通信，不仅布线存在困难，同时在恶劣环境下电缆磨损严重，系统通信质量及数据采集可靠性不高。针对上述问题，本文引入Zigbee 无线通信技术设计了一种采用CAN 总线+Zigbee 组合通信网络的液压支架电液控制系统，有效提高了系统通信可靠性，并通过MCU 控制器实现对液压支架的动作时间、速度及工作方式的自动控制，从而提升综采面的无人化及智能化程度，有效提高综采面的工作效率及安全性。

1 电液控制系统总体方案

1.1 液压支架电液控制系统功能

本文所设计的电液控制系统主要通过MCU 控制器实现对液压支架的自动控制，采用压力、位移及红外等各类传感器对支架运行数据进行实时采集，由上位机实现控制算法及控制指令下达、监测数据实时显示及存储分析功能。具体功能介绍如下：

1）单架控制功能。系统可通过单台支架的独立MCU 控制器实现对本架或邻架的升降柱、护帮及梁体伸缩、推溜及移架等基本操作的自动控制，即按下上位机操作台按钮后液压支架可按照既定顺序依次执行降柱、移架、升柱等动作。

2）成组支架控制功能。系统可对一组液压支架进行编组设置，并选取其中一台支架为主控支架通过其控制器实现对该组支架的整体动作控制。

3）实时监测功能。系统可通过红外传感器实时判断采煤机位置，并通过位移及压力传感器对支架推移量及顶板压力数据进行实时采集反馈。

4）自动控制功能。系统可根据各类传感器所反馈的采煤机位置及油缸压力等数据对液压支架执行自动跟机及自动补压等控制操作。

5）智能上位机监控平台。上位机可对液压支架运行状态进行实时直观显示，并通过控制算法自动实现相应动作的执行，同时还具备数据存储、打印等功能。

6）具备急停闭锁及故障报警功能。系统可对处于固定状态的支架执行闭锁操作；当支架遇到故障时，可立即停机并发出报警，并对故障事件进行存储及分析。

1.2 液压支架电液控制系统总体结构

本文在传统电液控制系统结构的基础上采用Zigbee 通信作为各支架控制器与上位机的主要通信方式，可有效解决采用有线通信所引起的布线困难及通信可靠性低的问题，同时为保证系统通信的可靠性，系统将CAN 总线作为备用通信方式。系统总体结构如下页图1 所示。

由图1 可知，系统端头支架控制器采用以太网与上位机实现通信，由Zigbee 节点组成的无线通信网络负责各支架数据及指令的传输。CAN 总线作为备用通信通道当无线节点发生故障时即可启用，通过该组合通信模式可有效提高监控系统的数据传输可靠性及灵活性[4]。位于各支架的采集单元由红外、位移及压力等传感器组成，可实时采集支架运行数据，通过上位机及各控制器的配合可实现对单个及成组支架的自动控制。

图1 电液控制系统总体结构图

2 电液控制系统硬件设计

液压支架电液控制系统的硬件设计主要包括MCU 主控器、数据采集单元及通信单元的选型及设计，其中数据采集单元主要由油压、位移及红外传感器组成，用于实时采集液压油缸压力、支架行程以及采煤机位置等核心运行参数，通信单元由Zigbee 无线通信模块、CAN 总线通信模块及以太网通信模块组成，系统硬件结构如图2 所示。

图2 电液控制系统硬件结构图

为了保证系统硬件灵活性，本文选用体积较小的STM32F103C8T6 型MCU 作为主控器安装于各支架上，其内部多达80 个快速I/O 接口及多个不同类型的通信接口，可满足系统的接口资源及通信需求。由上位机下达的急停及闭锁信号通过开关量输入电路输入至MCU 中进行相应操作，控制指令通过开关量输出电路输出至以电磁阀为主的执行机构，从而实现不同动作的执行。

数据采集单元由各类传感器组成，是实现支架运行状态监测及参数反馈的重要部分。其中红外传感器由发射器及接收器组成，分别安装于采煤机机身及液压支架上，系统通过反馈的采煤机位置控制液压支架执行自动跟机等操作。位移传感器主要用于实时采集液压支架的行程量数据，为保证测量精度，本文选用HDM-GJ 型矿用液压油缸磁致伸缩传感器进行支架位移数据采集，其测量范围为 50～2 000 mm，迟滞＜±0.002%F.S.，分辨率可达0.05 mm。

由于位移传感器及油压传感器所采集的数据输出为 4～20 mA 电流信号，而 STM32 系列 MCU 的模数转换接口仅支持0～3.3 V 电压信号，因此需要模拟量调理电路对所输入的电流信号进行电压转换，得到MCU 可识别的电压信号，相应转换电路如图3 所示。

图3 模拟量调理电路

作为本系统的通信网络架构基础，选择高性能的Zigbee 通信模块是保证系统通信可靠性的关键。本文Zigbee 通信模块型号选用WLT2408NZ，其信号传输距离高达500 m，最高信号传输速率为1 Mbit/s。WLT2408NZ 的接口类型为三线制串口，可无需任何外围电路即可与MCU 实现直连，进一步提高了数据传输可靠性及抗干扰性。

3 电液控制系统软件设计

由于本文所设计的电液控制系统采用STM32 系列MCU 作为控制核心，相应软件开发环境采用Keil software 公司的Keil MDK 嵌入式编程平台。首先系统控制方式分为远程自动控制及就地手动操作两种模式，控制对象为单个液压支架或成组支架，当系统选择自动控制模式时，系统会根据实时采集的采煤机位置数据自动执行跟机、补压等操作。当切换至急停或闭锁模式或手动按下相应按钮后即对液压支架执行相应动作，系统主程序流程图如图4 所示。

图4 电液控制系统主程序流程图

4 结语

本文在传统采用有线通信的电液控制系统基础上，将Zigbee 无线通信作为系统通信网络的基本架构，并以CAN 总线作为备用通信设计了一套基于MCU 控制的液压支架无线电液控制系统。系统在实际运行中可实现单个或成组支架的移架、升降柱等基本动作的自动控制，具备支架运行状态实时监测及故障报警诊断等功能，有效提高了液压支架控制的自动化及智能化水平。