液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計分析

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摘要：針對現(xiàn)有液壓支架電液控制系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差、適應(yīng)性弱以及延時較長的問題，基于C8051F020芯片設(shè)計液壓支架電液控制系統(tǒng)，給出電液控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，并基于該框圖詳細分析硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)實驗測試，基于傳感器技術(shù)、RS485通信以及SPI通信技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地傳送液壓控制器間數(shù)據(jù)，保障了液壓支架動作的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：C8051F020芯；軟件；測試

引言

液壓支架是煤礦井下綜采工作面的重要設(shè)備之一，分布于整個綜采工作面，主要完成采空區(qū)的支護工作，即在采煤機后方，液壓支架完成降柱、抬底、移架、落底、升柱、伸護幫以及推溜動作，對采空區(qū)進行支護，同時將刮板輸送機向工作面方向推進一個步距；在采煤機前方，液壓支架完成收護幫動作，為采煤機截割煤壁留出空間[1]。為提升綜采工作面生產(chǎn)效率，研究液壓支架電液控制系統(tǒng)使得液壓支架能夠根據(jù)采煤機實時位置，自動完成各種動作，同時配合采煤機、刮板輸送機完成采煤任務(wù)。液壓支架電液控制系統(tǒng)是集機械、液壓以及電氣為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，英國道梯公司最早提出并研究液壓支架電液控制系統(tǒng)，并形成以控制先導(dǎo)閥為目標(biāo)的控制體系，并將按鈕式微控制液壓系統(tǒng)應(yīng)用于美國的坎賽爾煤礦；德國研制的Panematic2E、Paner2-matic2S5、PM2、PM3以及PM4等支架電液控制系統(tǒng)在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用；日本三井三池、波蘭EMA以及法國、美國等也先后研制出可靠、功能較完善的液壓支架電液控制系統(tǒng)[2-5]。國內(nèi)的北京煤機廠、鄭州煤機廠、煤科總院太原分院等也相繼研制出液壓支架電液控制系統(tǒng)，并在大同礦務(wù)局、邢臺煤礦以及神東煤礦得到廣泛的應(yīng)用[6]。為進一步增強液壓支架電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及適應(yīng)性，基于單片機控制技術(shù)，完成液壓支架電液控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1系統(tǒng)設(shè)計

煤礦井下液壓支架電液控制系統(tǒng)主要完成操作支架的所有動作，如升/降立柱、推溜、移架、拉架等。操作者通過支架控制器的按鍵發(fā)出控制命令，可實現(xiàn)對液壓支架的單架控制、臨架控制、成組控制、就地閉鎖、緊急停止等。液壓支架控制器通過獲取傳感器組實時數(shù)據(jù)，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，結(jié)合液壓支架控制器存儲參數(shù)，作為控制液壓支架的條件。操作者通過液壓支架控制系統(tǒng)，可完成對液壓支架控制過程的功能設(shè)置和參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)信息多樣且可調(diào)，使液壓支架控制系統(tǒng)具有較強的靈活性和適應(yīng)性。操作者通過液壓支架控制系統(tǒng)可查看液壓支架狀態(tài)信息，如控制（工作）狀態(tài)、故障錯誤信息、設(shè)置及參數(shù)值、檢側(cè)值以及控制器本身的某些運行參數(shù)等。液壓支架控制器有LED字符顯示窗口，各種LED狀態(tài)顯示及蜂鳴器作為信息媒體，使系統(tǒng)與操作者之間得到良好的溝通。液壓支架電液控制系統(tǒng)設(shè)計總體框圖見圖1所示，根據(jù)綜采工作面的長度，配置支架控制器個數(shù)。支架控制器獲取傳感器組數(shù)據(jù)并經(jīng)邏輯處理后，控制器電液換向閥進行控制液壓支架執(zhí)行相應(yīng)的動作。支架控制器之間以RS485進行通信，并經(jīng)耦合器后與井下主機、井下交換機相連，最終以TCP/IP通信模式將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面主控計算機。

2硬件設(shè)計

液壓支架電液控制系統(tǒng)中支架控制器主芯片選用C8051F020高性能處理芯片，一個機器周期只由一個時鐘周期組成，可執(zhí)行一條指令；該芯片允許擴展中斷源，可擴展至22個；片內(nèi)資源包括8~12位多通道ADC，8~64個通用I/O口，2個UART以及Flash、RAM、片內(nèi)時鐘、看門狗等，滿足支架控制器設(shè)計要求。電液控制系統(tǒng)中所用的關(guān)鍵傳感器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。液壓支架電液控制系統(tǒng)的電源為雙路DC12V電源，由AC85V-AC265V電源經(jīng)A/C開關(guān)電源模塊以及過壓、過流保護電路處理后，輸出DC12V電源，保證電液控制系統(tǒng)的正常供電。雙向隔離耦合器主要用于對支架控制器之間的RS85以及SPI通信信號進行電氣隔離和信號耦合，保證電液控制系統(tǒng)通信質(zhì)量。

3軟件設(shè)計

液壓支架電液控制系統(tǒng)的軟件采用C+匯編語言編程實現(xiàn)，在KeilC51軟件中完成控制系統(tǒng)的軟件程序編寫，在proteus軟件平臺搭建硬件實現(xiàn)電路并進行仿真。圖2所示為液壓支架控制系統(tǒng)軟件主流程，在完成系統(tǒng)初始化以及資源配置后，執(zhí)行鍵盤掃描程序，巡檢是否有按鍵按下。如果有按鍵按下，則執(zhí)行按鍵功能子程序；如果沒有按鍵按下，則檢查中斷信號，是否需要執(zhí)行中斷子程序。液壓支架電液控制系統(tǒng)的中斷子程序包括模式切換、單架控制、臨架控制、成組控制、集中控制以及遠程控制中斷子程序。圖3所示為液壓支架電液控制系統(tǒng)的模擬量信號采集軟件流程，為完成液壓支架動作，支架控制器需要實時采集壓力、位移、紅外以及傾角傳感器的模擬量信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以及軟件濾波后，進行邏輯處理，控制電液換向閥動作。

4系統(tǒng)測試

在實驗室完成液壓支架電液控制系統(tǒng)的調(diào)試與測試，測試內(nèi)容主要包括單架單動作控制、鄰架單動作控制、鄰架聯(lián)動控制、成組自動控制、急停/閉鎖控制以及聲光報警控制等。利用液壓支架控制人機界面對液壓支架進行操作，經(jīng)對測試數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計和分析，該電液控制系統(tǒng)能夠較好地完成液壓支架控制。

5結(jié)語

針對綜采工作面液壓支架分布數(shù)量較多，電液控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性較差的問題，設(shè)計并開發(fā)基于C8051F020芯片的液壓支架電液控制系統(tǒng)，在軟件實現(xiàn)中設(shè)計多種控制模式，滿足液壓支架的控制要求，同時基于RS485以SPI完成支架控制器之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，所設(shè)計的電液控制系統(tǒng)能夠滿足綜采工作面液壓支架控制要求，保證煤礦安全、穩(wěn)定生產(chǎn)。

參考文獻

[1]申寶宏，郭玉輝.我國綜合機械化采煤技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（2）：1-3.

[2]馬鵬宇，余佳鑫，陸廷鍇，等.國產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)現(xiàn)狀[J].中國機械，2013（11）：211-212.

[3]伍小杰，于月森，等.液壓支架電液控技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（1）：25-29.

[4]楊世華，宋建成，田幕琴，等.基于雙RS485總線的液壓支架運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].工礦自動化，2014，40（8）：1-5.

[5]蔣春悅，田慕琴，宋建成，等.自動化工作面液壓支架控制器設(shè)計[J].工礦自動化，2014（9）：1-5.

[6]郭衛(wèi)，李績.PLC在礦用液壓支架電液控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].煤礦機械，2015，36（1）：3-5.

作者：王瑞彪 單位：西山煤電（集團）有限責(zé)任公司機電修造園區(qū)科技發(fā)展分公司