楊 亮

(內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

煤礦開采過程中液壓支架是非常重要的“三機”裝備之一,主要作用是對工作面頂部進(jìn)行支撐,達(dá)到保護井下人員和設(shè)備的效果[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升,對液壓支架方面的要求越來越高[2]?？刂葡到y(tǒng)是液壓支架的重要構(gòu)成部分,作用是對液壓支架進(jìn)行控制,確保液壓支架實現(xiàn)各項功能[3]。目前我國很多液壓支架從國外引進(jìn),使用的控制系統(tǒng)存在通信協(xié)議加密問題,破解難度很大,難以對其進(jìn)行升級改造,且很多功能受限[4]。我國自主研制的液壓支架控制系統(tǒng)價格雖然低廉,但性能上存在很多缺陷,運行可靠性較低,容易受外部因素干擾等[5]。針對該問題,國內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了研究。李瑞龍對以綜采工作面的液壓支架為研究對象,結(jié)合實際情況對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與優(yōu)化,進(jìn)一步提升了控制系統(tǒng)的性能[6]。付翔等人以煤礦工作面中的供液系統(tǒng)及液壓支架為對象,分析了兩者之間的協(xié)調(diào)控制模型,有效提升了控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[7]。燕鵬達(dá)同樣以煤礦液壓支架為對象,分析了設(shè)備的跟機自動智能化控制系統(tǒng),并將其部署到工程實踐中,發(fā)現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期效果[8]。以上關(guān)于液壓支架控制系統(tǒng)的研究取得了很好的效果,本文在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上,以液壓支架為研究對象,對其控制系統(tǒng)進(jìn)行深入分析與研究,結(jié)合煤礦實際情況設(shè)計液壓支架的控制系統(tǒng),確保系統(tǒng)能夠滿足煤礦現(xiàn)代化的基本需求[9]。

1 控制系統(tǒng)整體方案分析

1.1 系統(tǒng)基本組成

煤礦液壓支架控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控主機、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅(qū)動器、電源箱、傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、隔離耦合器等部分構(gòu)成。其中,傳感器又分為很多類型,主要包括壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、測高傳感器、紅外發(fā)送器及接收器,作用是對液壓支架的運行狀態(tài)進(jìn)行實時檢測,將結(jié)果反饋到控制器中,以便控制系統(tǒng)實施掌握液壓支架的運行狀態(tài),為精確控制提供數(shù)據(jù)支撐[10]。支架控制器是控制系統(tǒng)中比較核心的構(gòu)成部分,系統(tǒng)為每個液壓支架配備了一臺支架控制器,控制器可以對液壓支架的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析,所有控制器都進(jìn)行連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互[11]。同時控制器還與監(jiān)控主機連接,利用監(jiān)控主機可以實現(xiàn)煤礦工作面所有液壓支架工作狀態(tài)的監(jiān)測與控制。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成Fig.1 Main components of hydraulic support control system

1.2 系統(tǒng)主要功能

液壓支架控制系統(tǒng)的重要作用是對液壓支架的各項動作進(jìn)行精確及時的控制,保障煤礦生產(chǎn)過程的正常推進(jìn)。設(shè)計的控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢,功能比較豐富,可以確保液壓支架控制過程的安全性、協(xié)調(diào)性以及便捷性。系統(tǒng)主要功能有:

(1)單個支架的控制。操作人員在支架控制器上,可以選擇除本支架外臨近的液壓支架作為對象進(jìn)行控制。系統(tǒng)考慮到安全問題,限制只能選擇本支架左、右兩個相鄰支架作為控制對象,也可以根據(jù)實際需要適當(dāng)增加可控對象的數(shù)量?？刂七^程可分為兩種類型,其一是利用按鍵控制支架的單個動作,其二是控制單個支架按照一定的順序完成復(fù)雜動作,在實現(xiàn)一連串復(fù)雜動作期間無需人工干預(yù)。

(2)支架成組動作的自動控制。該模式下可以在工作面上選擇一個基準(zhǔn)支架,然后向左或向右設(shè)置一組液壓支架,具體數(shù)量可結(jié)合實際情況確定。然后下達(dá)控制指令,這組液壓支架完成設(shè)定的系列動作。與基準(zhǔn)支架臨近的支架最先開始動作,按指令完成所有的動作后,下一個支架按指令完成相同的動作,直到本組支架完成所有動作為止。執(zhí)行此控制模式時,需要在系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置一系列的動作參數(shù)和規(guī)則,保存后方可執(zhí)行。

(3)支架跟隨采煤機自動控制。在此控制模式下,液壓支架完全可以實現(xiàn)自動化控制。需要利用可靠的檢測裝置對采煤機的位置進(jìn)行實時準(zhǔn)確的采集,利用信號轉(zhuǎn)換器將采集的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,輸入到液壓支架控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)根據(jù)采煤機的位置下達(dá)指令,控制對應(yīng)液壓支架進(jìn)行動作,實現(xiàn)液壓支架與其他主要采煤設(shè)備的聯(lián)動控制。

2 支架控制器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

在考慮傳統(tǒng)液壓支架控制系統(tǒng)缺陷問題的基礎(chǔ)上,設(shè)計的控制系統(tǒng)基于CAN總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,對電磁驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計時,基于采用冗余設(shè)計的原則,并考慮過壓、過流、斷路保護等[12]。支架控制器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,控制器以Rabbit3000單片機為核心,利用傳感器數(shù)據(jù)采集模塊對液壓支架的運行狀態(tài)進(jìn)行采集,利用電磁閥驅(qū)動模塊實現(xiàn)液壓支架的控制。此外,還包括左右鄰架通信、主控制器通信、人機界面通信等,以上均基于CAN總線進(jìn)行通信。

圖2 支架控制器的整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the bracket controller

2.2 基本工作原理

對于工作面中所有的液壓支架均配備有控制器、人機交互界面、傳感器、控制電纜等硬件設(shè)施,以上硬件設(shè)施結(jié)合軟件程序可以形成一套完整的控制系統(tǒng)。支架控制器是液壓支架控制系統(tǒng)的核心部分,在支架控制器的人機交互界面可以進(jìn)行操作,下達(dá)各項指令對支架進(jìn)行控制[13]。指令可以通過通信電纜下達(dá)到本支架的控制器上,也可通過電纜下達(dá)到鄰架甚至遠(yuǎn)程支架的控制器上,進(jìn)而驅(qū)動各類電磁閥電路工作,完成對應(yīng)動作。

2.3 功能框架

支架控制器的整體功能框架如圖3所示。由圖3可知,支架控制器不僅可以對單個支架的單個動作進(jìn)行控制,還可同時對多個支架進(jìn)行成組動作控制。遇到緊急情況時,可以進(jìn)行急停與閉鎖,確保煤礦生產(chǎn)安全。針對液壓缸的壓力不足問題,可以進(jìn)行自動補壓,保障液壓支架運行的可靠性。利用傳感器對采煤機的位置信息進(jìn)行采集,進(jìn)而實現(xiàn)跟機自動化動作控制功能?？刂破骶邆渥栽\斷功能,可及時發(fā)現(xiàn)自身存在的故障問題,提升液壓支架運行的穩(wěn)定性。具備集控功能,所有支架控制器均接受主控制器的控制,達(dá)到集中控制的效果。

圖3 支架控制器整體功能框架Fig.3 Overall functional framework of bracket controller

3 支架控制器的硬件選型設(shè)計

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)及功能

(1)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。根據(jù)煤礦環(huán)境及液壓支架控制系統(tǒng)的實際使用要求,支架控制器的技術(shù)指標(biāo)有:額定工作電壓為12 VDC,工作電流不超過640 mA,設(shè)置有4路CAN通信端口,通信方式可采用無主式、半雙工和單極性,CAN通信端口最大傳輸距離及傳輸速率分別為50 m和33.3 Kbit/s,通信時的電壓峰值不超過5.5 V,共有3路模擬量輸入信號,2路電流為0.2～1.26 mA,1路電流為0.2～1 mA,對模擬量信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時誤差控制在2.5%內(nèi)。

(2)主要功能。設(shè)計的支架控制器具備自檢功能,能及時發(fā)現(xiàn)自身存在的故障問題。主要功能是對液壓支架的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,并對支架各項動作進(jìn)行控制,還與其他支架進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2 邏輯電路設(shè)計

支架控制器的電氣原理如圖4所示。由圖4可知,支架控制器以Rabbit3000單片機為核心,加上其他外圍拓展電路。單片機拓展有SRAM和FLASH,分別作為運行空間和閃存空間,大小均為512 K,后者的主要作用是對系統(tǒng)內(nèi)置程序及原始參數(shù)進(jìn)行存放。利用CAN總線實現(xiàn)單片機與本機架人機界面之間的通信,與左右支架控制器及主控制器之間的通信同樣基于CAN總線方式進(jìn)行。主控制器需要下達(dá)指令時可以通過廣播方式快速傳達(dá)到所有支架控制器中。控制器運行時需要利用傳感器對支架狀態(tài),主要是壓力和行程等參數(shù)進(jìn)行采集,采集結(jié)果利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后,輸入到Rabbit3000單片機中進(jìn)行處理。單片機根據(jù)分析結(jié)果下達(dá)指令,輸出16路數(shù)字量信號,作用在電磁驅(qū)動電路上驅(qū)動液壓支架工作。電磁驅(qū)動電路與單片機之間利用光耦隔離電路進(jìn)行隔離,防止兩者之間相互干擾,影響支架控制器的運行穩(wěn)定性。

圖4 支架控制器的電氣原理Fig.4 Electrical principle of bracket controller

3.3 控制器核心控制模塊設(shè)計

對于支架控制器而言,選擇合適的單片機直接影響其性能。目前市場上有很多類型的單片機,Rabbit單片機在工業(yè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用,該系列單片機專門針對中小型控制器設(shè)計,雖然體積較小,但擁有良好的性能,可以利用常見的C語言進(jìn)行軟件編程設(shè)計。系統(tǒng)中選用的是Rabbit3000單片機,此型號單片機的最大時鐘頻率可以達(dá)到55.5 MHz,數(shù)據(jù)總線和地址總線分別為8位和20位,片選信號和讀寫控制線的數(shù)量分別為3根和2組?？梢愿鶕?jù)實際需要擴展外部存儲,最大可以擴展1 M。系統(tǒng)還拓展了SRAM核心模塊和FLASH程序存儲器模塊,大小全部為512 K。

3.4 控制器的通信模塊設(shè)計

已有的大量實踐經(jīng)驗表明,在煤礦復(fù)雜的工況環(huán)境下利用CAN總線進(jìn)行通信,具有良好的抗干擾能力、使用線纜相對較好、數(shù)據(jù)通信過程穩(wěn)定等優(yōu)勢,所以支架控制系中所有通信全部基于CAN總線完成。通信結(jié)構(gòu)的原理如圖5所示,系統(tǒng)中由于使用了智能耦合器,使得CAN總線的節(jié)點約束大幅度提升,可以達(dá)到110個節(jié)點,完全能夠滿足煤礦工作面液壓支架的基本需求。在充分考慮煤礦實際情況的基礎(chǔ)上,設(shè)計的CAN總線共有兩條線路,分別為主干CAN總線和鄰架CAN總線,分別稱為CANBUS和CANBIDI。采用這種設(shè)計的原因是支架控制器的通信比較頻繁,采用兩條總線能使通信數(shù)據(jù)分散,兩條總線可以互為冗余,提升控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性與可靠性。

圖5 通信結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Schematic diagram of communication structure

4 控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計

硬件部分是確保液壓支架控制系統(tǒng)正常運行的物質(zhì)基礎(chǔ),軟件程序是控制系統(tǒng)的“大腦”,作用是下達(dá)指令驅(qū)動各項硬件裝置運行。系統(tǒng)軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺上利用C語言進(jìn)行開發(fā)。以下對幾種典型的軟件程序工作流程進(jìn)行分析。

4.1 單個動作軟件程序流程

液壓支架工作時經(jīng)常需要對某個支架單獨控制,如對某個支架進(jìn)行動作檢測或調(diào)架時需采用該功能,或當(dāng)工作面環(huán)境復(fù)雜、自動控制難以完成相關(guān)動作時,也需采用單個動作進(jìn)行移架。單個動作是針對某個支架的某些動作進(jìn)行單獨控制,為保證動作過程的安全,采用的是即按即動的模式。操作人員按下對應(yīng)按鈕,液壓支架發(fā)生對應(yīng)動作,松開則停止。對于比較常用的單個動作(如升降、平移、護幫等),可直接設(shè)置快捷按鈕,對于不常用的動作可以將其隱藏在輔助功能菜單中。單個動作的軟件程序工作流程如圖6所示。

圖6 單個動作的軟件程序工作流程Fig.6 Software program workflow for a single action

由圖6可知,當(dāng)系統(tǒng)接收到單個動作預(yù)警命令時,進(jìn)入從控模式。完成對應(yīng)動作后,監(jiān)控屏幕上顯示對應(yīng)的動作過程。完成所有動作的控制后,系統(tǒng)退出從控模式。

4.2 成組推溜軟件程序流程

對于液壓支架控制系統(tǒng)而言,成組推溜是比較常用的控制功能。通常情況下就是利用該功能對礦井工作面的液壓支架進(jìn)行推溜操作。利用該功能時液壓支架的數(shù)量可以根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置,并不是固定不變的,通常將液壓支架控制在10～15架為宜。成組推溜的軟件程序流程如圖7所示。由圖7可知,系統(tǒng)接收到成組推溜預(yù)警命令后,進(jìn)入從控模式。設(shè)定的液壓支架按照一定順序完成推溜動作,直到最后一個支架完成所有推溜動作后,系統(tǒng)退出從控模式?；玖鞒膛c單個動作的控制模式相同,但成組推溜控制模式中需要相鄰支架控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,確保上個支架各項工作完成后,下個支架開始動作。整個動作過程中需要保證行程和壓力傳感器可以正常工作。

圖7 成組推溜的軟件程序流程Fig.7 Software program flow for group push sliding

4.3 自動移架軟件程序流程

當(dāng)煤礦工作面的工作環(huán)境比較好時,液壓支架控制系統(tǒng)可以自動完成移架動作。系統(tǒng)中為了確保移架過程的安全性,采用自動移架程序時,只能對左、右相鄰支架進(jìn)行控制,并且在執(zhí)行自動移架流程時,必須確保臨近支架具備充足的支撐力。

在確保支撐壓力滿足要求的前提下,執(zhí)行成組自動降—升—移動作,通過條件判斷移架動作完成后,開始實施噴水動作、收縮梁動作以及降柱動作。系統(tǒng)需判斷整套動作是否在規(guī)定時間內(nèi)完成,若超過規(guī)定時間需分析產(chǎn)生超時的原因,在確保安全的情況下才能開展后續(xù)動作。

5 控制系統(tǒng)的應(yīng)用測試研究

為了驗證煤礦液壓支架控制系統(tǒng)的正確性和可靠性,根據(jù)上文設(shè)計的系統(tǒng)方案,將其應(yīng)用到煤礦工程實踐中,該工作面中使用的液壓支架型號為ZFS3300。系統(tǒng)正式投入應(yīng)用前,對其各項功能進(jìn)行了現(xiàn)場測試。為測試通信網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸過程的效率和質(zhì)量,對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,隨著數(shù)據(jù)發(fā)送間隔的不斷延長,數(shù)據(jù)傳輸速度逐漸降低。測試過程還發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)發(fā)送間隔越長則數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性越好。因此,在綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性兩方面因素的基礎(chǔ)上,將數(shù)據(jù)發(fā)送間隔確定在10～15 ms。

圖8 數(shù)據(jù)幀發(fā)送間隔對數(shù)據(jù)傳輸速度的影響Fig.8 Influence of data frame sending interval on data transmission speed

測試期間在系統(tǒng)中輸入不同的模擬控制信號,結(jié)果發(fā)現(xiàn)液壓支架控制系統(tǒng)可以正確地根據(jù)指令完成升降、移動等各項動作,同時在主監(jiān)控系統(tǒng)中能實時觀察到液壓支架的運行狀態(tài)。為測試控制系統(tǒng)的故障報警性能,測試期間將2號液壓支架的立柱缸壓人為降低,結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)壓力降低問題并故障報警,同時下達(dá)指令對設(shè)備進(jìn)行停機處理。利用人工方式對5號液壓支架控制器進(jìn)行離線操作后,系統(tǒng)可以在3 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題并下達(dá)指令進(jìn)行聲光報警,同時在控制界面實時顯示5號液壓支架的離線故障問題。基于現(xiàn)場測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)設(shè)計的液壓支架控制系統(tǒng)各項功能都能穩(wěn)定實現(xiàn),具有較高的可靠性。完成測試工作后,控制系統(tǒng)正式投入使用,截至目前系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時間超過1年。期間系統(tǒng)整體運行良好,為ZFS3300型液壓支架的穩(wěn)定運行奠定了良好的基礎(chǔ)。支架控制器的現(xiàn)場圖片如圖9所示。

圖9 支架控制器的現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.9 Field pictures of the bracket controller

6 結(jié)論

以煤礦工作面“三機”裝備之一的液壓支架為研究對象,對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計,并將其部署到工程實踐中,應(yīng)用效果良好。

(1)控制系統(tǒng)包括監(jiān)控主機、支架控制器、電液換向閥組、電磁驅(qū)動器、電源箱、傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、隔離耦合器等部分,可實現(xiàn)單個支架控制、支架成組動作自動控制和支架跟隨采煤機自動控制等功能。

(2)支架控制器以Rabbit3000單片機為核心,利用傳感器采集模塊實時收集液壓支架的工作狀態(tài),基于電磁閥驅(qū)動模塊實現(xiàn)支架各項動作的有效控制。軟件程序在Dynamis 9.4軟件平臺上利用C語言進(jìn)行開發(fā),分析了單個動作、成組推溜和自動移駕的軟件程序流程。

(3)將設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用到ZFS3300液壓支架中,經(jīng)現(xiàn)場測驗發(fā)現(xiàn)各項功能都能夠?qū)崿F(xiàn),整體運行良好,對于出現(xiàn)的故障問題能及時進(jìn)行故障報警。