金 琪

（山西省陽煤集團(tuán)安監(jiān)局， 山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段煤礦作業(yè)中最為先進(jìn)的一種支護(hù)設(shè)備控制方式，其融合了液壓、電子、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)以及機(jī)械等多種技術(shù)，既能提高開采效率，又能保障作業(yè)安全。

1 液壓支架電液系統(tǒng)簡(jiǎn)析

液壓支架電控部分構(gòu)成如圖1所示，主要分為電源、傳感器、支架控制器、監(jiān)控主機(jī)、人機(jī)操作界面、電磁先導(dǎo)閥、連接器、過濾元件、輔助器和主閥等多個(gè)部分[1]，電源箱均設(shè)置電源耦合器，負(fù)責(zé)向支架單元提供電力支持。在液壓支架構(gòu)成中，每個(gè)控制單元都分為傳感器、控制電纜、人機(jī)操作界面、電磁組閥、輔助纜、主控制閥組以及支架控制器等多個(gè)部分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，支架控制器均經(jīng)由電纜連接為一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)，不同支架器之間的通信模式均為全雙工串行通信，通過CAN總線通信確保綜采數(shù)據(jù)信息的整理與傳遞[2]。此外，巷道主機(jī)主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)控液壓支架和綜采工作面其他相關(guān)設(shè)備工況。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

支架控制器是液壓支架電控系統(tǒng)的核心組件，與巷道主機(jī)、采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)一同組成電液控制系統(tǒng)。從功能層面來看，支架控制器不僅能夠控制液壓支架動(dòng)作，亦可用于搜集整理電流傳感器、紅外、位移、壓力或者電壓等方面的反饋信息，進(jìn)一步檢測(cè)后向巷道主機(jī)輸送檢測(cè)結(jié)果。采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)，為支架控制器提供支持，后者子系統(tǒng)在定位數(shù)據(jù)信息的支持下實(shí)現(xiàn)綜采工作面的跟機(jī)自動(dòng)化操作。巷道主機(jī)主要是利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可配合目標(biāo)設(shè)備聯(lián)動(dòng)[3]。

2.1 支架控制器

在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，支架控制器是核心部分，在新型電液控制技術(shù)以及高端通信技術(shù)的支持下，操作人員對(duì)液壓支架運(yùn)動(dòng)有精確的控制，系統(tǒng)控制器和各支架控制器之間的連接通信也得到良好保障。通常情況下控制器采用增強(qiáng)型單片機(jī)，性能較高，亦可選用一些高性能微處理器，譬如DSP、ARM等。支架控制器硬件設(shè)備通常分為基本配置、數(shù)據(jù)采集、通信模塊、人機(jī)交互和電磁驅(qū)動(dòng)五個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 支架控制器硬件組成部分示意

其中基本配置單元中，電源模塊開關(guān)電源芯片能夠穩(wěn)定持續(xù)保持3.3 V的輸出電壓，采用濾波電路可有效保證抗電磁干擾性能，從而達(dá)到高精度、低能耗以及低噪音的電源性能。存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)下的人機(jī)交互命令等系統(tǒng)信息；數(shù)據(jù)采集模塊可搜集檢測(cè)各種信息數(shù)據(jù)，譬如支架壓力、移架行程、采煤機(jī)位移以及控制器電流電壓等，還可通過多路信號(hào)采集器獲取采樣模式混合信號(hào)。通信單元均利用接口協(xié)議來保障控制器通信，其中I2C總線協(xié)議能夠讀取人機(jī)交互數(shù)據(jù)；CAN總線負(fù)責(zé)機(jī)巷集控室主機(jī)與控制器全局之間的通信管控。電磁驅(qū)動(dòng)模塊參照控制器發(fā)出的動(dòng)作指令，通過電磁驅(qū)動(dòng)電路來控制電磁閥動(dòng)作。電磁驅(qū)動(dòng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)多路信息輸出功能，并可對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。人機(jī)交互模塊中，操作人員通過鍵盤輸入指令動(dòng)作，操控液壓支架實(shí)現(xiàn)緊急停止或成組自動(dòng)控制等功能，并且可結(jié)合實(shí)際情況靈活應(yīng)用，可設(shè)置或適當(dāng)修改相關(guān)參數(shù)[4]。液晶顯示窗可實(shí)時(shí)反饋管理者或系統(tǒng)發(fā)出的操控指令，幫助管理人員有效監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2.2 采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)

紅外線技術(shù)是采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位的關(guān)鍵技術(shù)，每臺(tái)采煤機(jī)以及液壓支架均配置獨(dú)立的位置檢測(cè)系統(tǒng)，以保證位置檢測(cè)精確性。采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

采煤機(jī)以及液壓支架上安裝的位置檢測(cè)系統(tǒng)并無差異，但是在煤礦生產(chǎn)實(shí)踐過程中，為了便于應(yīng)用，提高通用性，設(shè)計(jì)人員針對(duì)相同的位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同的軟件，采煤機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)為發(fā)送工作模式，而液壓支架位置檢測(cè)系統(tǒng)則為接收工作模式。

調(diào)制模塊發(fā)出的固有頻率脈沖序列，經(jīng)過微處理器后變?yōu)檎{(diào)制待發(fā)射信號(hào)的載波信號(hào)，具有良好的抗干擾特性，并且有利于強(qiáng)化信號(hào)在長距離傳輸過程中的傳輸質(zhì)量；發(fā)射模塊主要功能是紅外線信號(hào)的發(fā)送，接收模塊則接受紅外信號(hào)并加以解析，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，明確采煤機(jī)位置。由圖3可知，DAC模塊用于指示所得結(jié)果，或通過RS485通信總線向支架控制器發(fā)送所得結(jié)果，確保液壓支架自動(dòng)化操作順利完成[5]。

2.3 巷道主機(jī)

液壓支架電液控制系統(tǒng)中，巷道主機(jī)也是極為重要的一部分，是系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操控的關(guān)鍵設(shè)備。巷道主機(jī)通常包括顯示器控制板、顯示器接口、硬盤接口、液晶顯示器、電源模塊、顯示驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)模塊、鼠標(biāo)鍵盤接口以及本安型隔離器等多種硬件設(shè)備，系統(tǒng)配置90～250 V交流電源，安全柵以及隔離電路則采用12 V直流本安電源模塊（5 V亦可）；主板和主機(jī)顯示器配設(shè)有12 V直流開關(guān)電源。巷道主機(jī)通常采用以太網(wǎng)口或者串并行口等不同類型的接口與其他配套電氣設(shè)備建立接口；鼠標(biāo)鍵盤等各種輸入設(shè)備經(jīng)由隔離型本安接口與主機(jī)連為一體，核心板與驅(qū)動(dòng)板之間相連，液晶顯示器由此具備人機(jī)交互功能。儲(chǔ)存模塊主要是硬盤，其功能在于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)，同時(shí)亦可用于管理軟件。

液壓主機(jī)一般是根據(jù)系統(tǒng)功能性來適當(dāng)修改RedHat9.0操作系統(tǒng)，完成內(nèi)核編譯工作，使之具備配置啟動(dòng)等相關(guān)功能，主機(jī)監(jiān)控軟件是設(shè)計(jì)人員采用GTK+工具基于Linux系統(tǒng)研發(fā)的一種定制型用戶界面，可讀取數(shù)據(jù)庫信息并于前臺(tái)顯示；后臺(tái)數(shù)據(jù)信息通常是讀取緩沖文件所得，所以前后臺(tái)之間的工作應(yīng)當(dāng)分工并行[6]。

支架控制軟件可以顯示采煤機(jī)移動(dòng)路線、支架架號(hào)、支架噴霧情況、采煤機(jī)位置、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、首末支架架號(hào)等數(shù)據(jù)信息，并且能夠以圖形的方式實(shí)時(shí)顯示各支架推移行程與電壓情況，操作人員可根據(jù)圖形顏色對(duì)支架運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和評(píng)估，亦可通過人為配置來設(shè)定上下限值。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，支架控制軟件通過雙色LED燈的方式對(duì)自動(dòng)補(bǔ)壓、自動(dòng)移位以及自動(dòng)推溜、網(wǎng)絡(luò)通信等狀態(tài)進(jìn)行模擬顯示，一些錯(cuò)誤詳細(xì)信息也能夠以比較智能化的方式出現(xiàn)在狀態(tài)欄內(nèi)。通過菜單選項(xiàng)可實(shí)時(shí)查看全部支架的狀態(tài)信息，設(shè)置系統(tǒng)并可發(fā)出下位控制器的控制命令，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓支架作業(yè)工況的目的。巷道電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 巷道電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)語

在煤礦綜采工作面中，液壓支架是極為重要的一種設(shè)備，其電液控制技術(shù)也在很大程度上影響煤礦作業(yè)效率和生產(chǎn)安全性。為了跳出高價(jià)格高成本的現(xiàn)狀，改善國內(nèi)礦井應(yīng)用適應(yīng)性較差這一局面，深入研究分析并優(yōu)化煤礦綜采液壓支架電液控制系統(tǒng)是極為必要的。隨著相關(guān)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的逐步深入與國產(chǎn)開發(fā)系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，相信煤礦作業(yè)安全生產(chǎn)水平也會(huì)隨之提升。