田 偉

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

我國煤炭開采常常出現(xiàn)采厚棄薄的情況，使得較多的薄煤層未得到開采，造成大量煤炭資源浪費(fèi)。在進(jìn)行薄煤層開采中，由于工作面安全空間小、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，所以開采薄煤層并不劃算。隨著開采技術(shù)的不斷升級(jí)，薄煤層開采技術(shù)也在不斷成熟，薄煤層開采也成了大勢(shì)所趨[1]，保證薄煤層開采安全成為了首要的目標(biāo)。目前薄煤層液壓支架作為綜采重要的機(jī)械設(shè)備，其性能很大程度上影響著開采安全，所以提升薄煤層液壓支架的工作效率十分必要[2]。

1 液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

薄煤層液壓支架是綜采重要的設(shè)備，其在采煤過程中承擔(dān)著支撐頂板的作用，為刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)及工作人員提供必要的安全空間。在進(jìn)行薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮支架的穩(wěn)定性及空間性。本文設(shè)計(jì)的薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)總體目標(biāo)是通過信息傳輸實(shí)現(xiàn)無人化、智能化目的，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

井下防爆計(jì)算機(jī)與地面計(jì)算機(jī)共同組成控制系統(tǒng)的上位機(jī)部分，通過環(huán)網(wǎng)進(jìn)行井上井下的信息互換，監(jiān)控系統(tǒng)及上位機(jī)軟件采用Client/Server 架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過檢測(cè)液壓支架立柱的壓力信息進(jìn)行礦壓趨勢(shì)的分析，從而實(shí)現(xiàn)空頂、礦壓監(jiān)測(cè)及通信線路故障預(yù)警等功能，順槽監(jiān)控系統(tǒng)與地下監(jiān)控系統(tǒng)采用SQLserver 和PowerBuilder 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，兩個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可以共享數(shù)據(jù)，有效保證運(yùn)行安全。井下順槽計(jì)算機(jī)集成工作面所有數(shù)據(jù)，可以任意顯示一臺(tái)液壓支架的參數(shù)，同時(shí)通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸至地面主機(jī)。液壓支架控制器作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，其直接作用于液壓支架，支架控制器能夠?qū)崿F(xiàn)人工及自動(dòng)兩種操作模式，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收端，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合傳輸至上位機(jī)，控制器包含位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、傾角傳感器等，眾多元件共同組成液壓支架電液控制系統(tǒng)。

2 控制器選型

對(duì)液壓支架控制器進(jìn)行硬件選擇，根據(jù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能，選定STM32F407ZGT6 中央處理器，其具有結(jié)構(gòu)體積小、處理能力強(qiáng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)單片機(jī)進(jìn)行選型，首先需要滿足所要求的基本功能，本文選擇型號(hào)為STM32F407ZGT6 單片機(jī)，其具有豐富的I/O 接口，采用32 位內(nèi)核處理器、168 Hz 運(yùn)行頻率，具備低能耗、高處理的要求。同時(shí)其具備存儲(chǔ)能力強(qiáng)、信息采集能力強(qiáng)、外設(shè)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可充分滿足性能需求。對(duì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)單元硬件進(jìn)行選型，最小系統(tǒng)中包括了復(fù)位電路、供電電路、下載電路等，供電電路根據(jù)電路模塊的工作電壓情況選定為3.3 V、5 V 和12 V；復(fù)位電路采用RC 低電平復(fù)位電路；下載電路的下載接口分為20 針、10 針JTAG 接口和SWD 接口。

2.1 控制系統(tǒng)基本單元硬件設(shè)計(jì)

對(duì)控制系統(tǒng)基本功能單元硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)單元主要包括LCD 顯示電路、聲光報(bào)警電路、閉鎖電路等，首先LCD 電路采用STN 型LCD12864 點(diǎn)陣式顯示模塊，其尺寸為90 mm×70 mm×12.5 mm，LCD12864 顯示模塊的正常工作電壓為4.5～5.5 V，正常工作溫度要求較低，能夠較好地滿足礦井工作要求。聲光報(bào)警電路在系統(tǒng)遇到緊急情況或者故障時(shí)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，當(dāng)支架處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的所有指示燈不亮，當(dāng)人工進(jìn)行操作時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)指示燈為綠色，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障指示燈立刻呈現(xiàn)紅色并報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)在顯示模塊顯示急停、閉鎖的信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警電路選擇蜂鳴器和工作電壓12 V 的指示燈，通過三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)指示燈及蜂鳴器的控制。聲光報(bào)警電路示意圖如圖2 所示。

圖2 聲光報(bào)警電路示意圖

從圖2 可以看出，在電路中RED 連接單片機(jī)，當(dāng)GPIO 口為高電平時(shí)，此時(shí)RED+與RED-之間的紅色報(bào)警燈會(huì)亮，而同樣的綠色指示燈與紅色指示燈的工作原理相同，通過采用三極管作為開關(guān)元件，有效保證故障報(bào)警的響應(yīng)速度，同時(shí)通過多次的試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)的可行性與可靠性。

2.2 系統(tǒng)通信單元設(shè)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)的通信單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先對(duì)CAN 通信電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制器是CAN 通信總線的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用物理層器件，STM32F407ZGT6 單片機(jī)共有2路CAN 控制器，本文的CAN 通信節(jié)點(diǎn)包括隔離電路、防沖擊保護(hù)電路、收發(fā)器。其中隔離電路采用光耦合器6N137，能較好地實(shí)現(xiàn)輸出輸入的分離；防沖擊保護(hù)電路由二極管、限流電阻及濾波電容組成，避免元件發(fā)生過載沖擊破壞，接收器選用PCA82C250芯片，其具備很強(qiáng)的抗干擾能力且通信速率可以達(dá)到1 Mbit/s。鄰架電路是指相鄰支架間的電路，其通過RS485 線路進(jìn)行連接，由于礦井環(huán)境較為惡劣，所以鄰架通信電路需要具有很強(qiáng)的防丟失能力，鄰架電路由隔離電路、防高壓侵入電路、失效保護(hù)電路、MAX485 收發(fā)芯片組成，保證穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)是對(duì)電磁先導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電磁先導(dǎo)閥的工作電壓為5～12 V，根據(jù)單片機(jī)特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)單元流程如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元流程

從圖3 可以看出，單片機(jī)的I/O 口為高電平，所以在配置輸出模式時(shí)需要與執(zhí)行單元進(jìn)行對(duì)應(yīng)，單片機(jī)將電平信號(hào)傳輸至限流濾波保護(hù)裝置后分為高電平和低電平兩種信號(hào)輸入開關(guān)單元，襯板電路用于提供12 V 的系統(tǒng)工作電壓，通過MOSFET 的輸出特征控制電磁閥。

數(shù)據(jù)采集單元是整個(gè)電液控制的核心單元，其主要負(fù)責(zé)采集電壓、位移等參數(shù)，通過與紅外線傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等進(jìn)行連接，檢測(cè)液壓支架的立柱壓力、機(jī)推溜行程等數(shù)據(jù)，采集模塊的流程如圖4 所示。

圖4 采集模塊的流程

首先傳感器對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及工作參數(shù)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)通過電路進(jìn)行傳輸，為了保證信號(hào)的完整性，避免出現(xiàn)信號(hào)丟失等問題，在系統(tǒng)中加入信號(hào)保護(hù)電路，信號(hào)傳輸至轉(zhuǎn)換及處理模塊時(shí)會(huì)進(jìn)行處理及反饋，并將處理的結(jié)果及分析展示于顯示模塊。

3 結(jié)語

本文對(duì)薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先給出了電液控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)結(jié)構(gòu)圖中結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行分析，后對(duì)薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)核心部件支架控制器進(jìn)行研究，分別給出了最小系統(tǒng)單元、通信單元、基本功能單元、驅(qū)動(dòng)單元及采集單元硬件選型及其優(yōu)勢(shì)，為薄煤層開采液壓支架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考，為礦井高效開采提供依據(jù)。