左勝輝

(西山煤電集團有限公司 東曲礦多經(jīng)公司更新廠，山西 古交 030200)

0 引言

礦井綜采工作面的開采環(huán)境復(fù)雜惡劣，存在很大的安全隱患，尤其是薄煤層工作面，實際工作空間非常狹小，不利于人工現(xiàn)場實時操控設(shè)備。目前礦井機械化開采自動化水平低，通常通過人工手動控制方式或者半自動方式進行設(shè)備控制，對機械設(shè)備不能做到物盡其用，而且設(shè)備之間聯(lián)動性差，往往只能進行單一動作或是單設(shè)備動作，嚴(yán)重影響了煤礦的開采效率和經(jīng)濟效益。同時，目前煤礦開采過于依靠人工現(xiàn)場的控制方式進行操作，工人勞動強度大[1，2]。

為提高綜采工作面的自動化技術(shù)水平，降低人工成本，本文設(shè)計了一套集信息全面檢測、聯(lián)動控制、遠(yuǎn)程通信三位一體的液壓支架自動化跟機控制系統(tǒng)，通過對液壓支架和采煤機全方位、全生命周期的動態(tài)信息檢測，使液壓支架可根據(jù)采煤機的工作位置和運行方向?qū)崿F(xiàn)自動化跟機，顯著提高了設(shè)備的自動化水平，降低了人工成本。

1 系統(tǒng)總體方案

圖1為液壓支架自動化跟機控制系統(tǒng)的總體框圖。整個系統(tǒng)由上位機監(jiān)控平臺、主控制器、液壓支架分控制器、液壓支架傳感檢測系統(tǒng)、采煤機傳感檢測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電磁閥驅(qū)動模塊等組成。

圖1 液壓支架自動化跟機控制系統(tǒng)的總體框圖

其中，上位機監(jiān)控平臺用于顯示成組支架的傳感檢測數(shù)據(jù)、支架的動作信息、采煤機的位置信息，根據(jù)相應(yīng)的分析和判斷發(fā)布控制操作指令，此外還具備打印、數(shù)據(jù)存儲、故障報警等功能；主控制器發(fā)揮承上啟下的功能，用于進行支架分控制器和上位機之間的信息雙向傳輸及對采煤機位置的分析判斷，主控制器與支架分控制器之間通過SPI方式進行數(shù)據(jù)傳輸；支架分控制器用于直接監(jiān)測液壓支架的運行工況，同時直接控制支架進行相應(yīng)的推溜、移架、護幫、護頂、循環(huán)割煤等動作，各支架控制器之間通過CAN總線進行信息交流；采煤機傳感檢測系統(tǒng)用于實時定位采煤機的推進位置、距離、方向，并反饋給支架分控制器，為支架的移架動作提供數(shù)據(jù)支持；液壓支架傳感檢測系統(tǒng)用于檢測液壓支架的各部位受壓情況、姿態(tài)變化情況及千斤頂推移情況，作為支架故障的判據(jù)；電磁閥驅(qū)動電路用于驅(qū)動液壓回路執(zhí)行千斤頂?shù)纳炜s動作；視頻監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)進行圖像檢測，以更直觀、更全面的方式給工作人員提供液壓支架、采煤機的運行情況。

2 硬件方案設(shè)計與選型

2.1 控制器設(shè)計與選型

主控制器負(fù)責(zé)采集所有檢測數(shù)據(jù)并進行智能處理，包括采煤機傳感檢測系統(tǒng)及各液壓支架傳感檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時下發(fā)控制指令。主控制器選用 BCM2835 芯片，該芯片具備40個 GPIO口，可支持多個支架分控制器與主控制器進行 SPI 總線信號傳輸，同時支持HDMI/VGA/DVI 等多種視頻信號輸出[3]。

支架分控制器是液壓支架實現(xiàn)跟機自動化的核心設(shè)備，每架液壓支架皆配置一臺分控制器，同時配置相應(yīng)的電磁閥、傳感器，各分控制器之間通過CAN總線進行連接。根據(jù)實際需求，分控制器選用STM32F103ZET6單片機，該型號單片機擴展性強、運行速度快，擁有2個CAN接口、3個SPI接口，完全滿足系統(tǒng)需求。

2.2 傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計與選型

系統(tǒng)包含兩個傳感檢測系統(tǒng)，即采煤機傳感檢測系統(tǒng)和液壓支架傳感檢測系統(tǒng)。

采煤機傳感檢測系統(tǒng)通過紅外傳感器、D齒輪傳感器配合檢測的方式來精準(zhǔn)定位采煤機的實時位置和運行方向，為液壓支架的推移操作提供數(shù)據(jù)支持。將D齒輪傳感器安裝于采煤機牽引部齒輪上，該傳感器可實時統(tǒng)計行走部牽引齒輪的脈沖，以此來測算采煤機的行走距離。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器和紅外接收器兩部分。紅外發(fā)射器安裝在采煤機機身，紅外接收器安裝在液壓支架上，兩者相互配合，當(dāng)采煤機向前移動時，紅外接收器會收到紅外信號，支架分控制器根據(jù)接收的信號便可得到采煤機的工作位置信息。

液壓支架傳感檢測系統(tǒng)包括3個傾角傳感器、1個壓力傳感器和一個行程傳感器，每臺液壓支架都要配置。3個傾角傳感器分別安裝于頂梁、掩護梁和底座，用于實時檢測液壓支架的支護位姿；位移傳感器負(fù)責(zé)檢測支架的移架距離；壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測立柱的支撐壓力，用于實時檢測支架立柱升柱或者降柱的壓力信號，為判斷液壓支架的狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支持。

本文對需要的傳感器進行了具體選型，表1為傳感器的具體型號。

表1 傳感器具體選型

2.3 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

傳感檢測系統(tǒng)輸出的電壓信號為4.5 V，與液壓支架分控制器的電壓識別信號不一致，故設(shè)計如圖2所示的傳感器信號轉(zhuǎn)換電路進行信號調(diào)理，調(diào)理完成后再輸入支架分控制器。

圖2 傳感器信號轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

實現(xiàn)液壓支架自動化跟機需要多種自動化控制動作相互配合完成，主要包括支架“降移升”和推溜循環(huán)動作，該項工作主要由支架分控制器控制完成。分控制器選用STM32F103ZET6單片機，使用KeilμVision4開發(fā)工具進行程序開發(fā)，該軟件是德國Keil 公司的一款可以無縫對接STM32F103ZET6微控制器的開源軟件，集編譯、仿真、下載等功能于一體，其編程便捷，操作方便，對編程人員非常友好[4]。圖3為液壓支架自動化跟機動作的流程框圖。

圖3 液壓支架自動化跟機動作流程框圖

具體工作流程為：主控制器根據(jù)紅外傳感器和D齒輪傳感器反饋的信息，精準(zhǔn)定位采煤機的運行位置和方向，進而根據(jù)事先設(shè)定的控制流程控制液壓支架相應(yīng)的降移升動作和推溜動作。在液壓支架移架過程中，除了進行動作之外，同時需要傳感器檢測系統(tǒng)實時反饋液壓支架的執(zhí)行動作情況，由此判斷移架具體的執(zhí)行程度。過程中加了電平檢測環(huán)節(jié)，當(dāng)檢測電平為“1”時，說明移架動作順利執(zhí)行；當(dāng)檢測電平為“0”時，說明未執(zhí)行移架操作，需要按照設(shè)定要求重新執(zhí)行。

4 結(jié)論

礦井綜采工作面工作環(huán)境復(fù)雜，原有設(shè)備的自動化水平已經(jīng)無法滿足當(dāng)下煤礦開采的需求。本文利用傳感器檢測技術(shù)、微控制器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等設(shè)計了一套液壓支架自動化跟機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了液壓支架與采煤機的協(xié)調(diào)控制與聯(lián)動工作，通過采煤機傳感檢測系統(tǒng)、液壓支架傳感檢測系統(tǒng)的協(xié)同配合使用，不僅實現(xiàn)了液壓支架的跟機自動化，而且實現(xiàn)了液壓支架、采煤機的閉環(huán)管理和液壓支架降移升精準(zhǔn)的循環(huán)控制，具有很大的應(yīng)用價值。