基于总线技术的液压支架控制系统研究

张雪平

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

液压支架是综采工作面最重要的设备之一，布置在整个综采工作面上，与采煤机和刮板输送机配合进行煤炭资源的开采。液压支架能实现对采区顶板的支护、切顶、自移和推溜等动作，防止顶板脱落，为综采作业提供工作空间，降低工人劳动程度，保障人员和设备安全。液压支架的动作是依靠电液控制系统实现的，其自动化程度和可靠性对整个综采作业面的生产效率有很大影响[1]。

1 总体方案

液压支架的电液控制系统是由地面控制室、支架控制器主站、支架控制器从站、液压支架、压力传感器、位移传感器组成的，系统通过CAN总线进行现场通讯，实现液压支架的整体控制，具体结构如图1所示。

图1 基于CAN总线的液压支架电液控制系统结构

支架控制器是整个控制系统的核心元件，分为主站和从站，由微处理器、信息传输模块、操作键盘组成。每个从站控制一套液压支架，按照控制信号对液压支架的液压系统进行控制，完成液压支架的各种动作，同时接收安装在液压支架上的传感器信号，并将液压支架状态信息实时传输到主站，主站通过以太网与地面控制室进行通讯，将液压支架的实时信息直观显示在显示屏上，方便技术人员进行监测。当液压支架数量超过一定数量时，需要增加CAN中继器，保证总线的通讯质量。

2 网络通讯总线

组建一个先进的总线通讯网络是保证整个系统正常运行的前提条件，在井下对总线通讯的要求主要有以下四个方面。

2.1 通讯距离

井下的通讯一般采用两级总线方式进行通讯，在规模较小时可以一级现场总线，采用光纤或同轴电缆进行多媒体信息的传输，要求通讯距离一般不得小于10 km。通讯距离的长短与通讯速率有关。标准的通讯速率有5 kbps、10 kbps、20 kbps，一般情况下，通讯速率为5 kbps时，通讯距离可达到10 km，特殊情况下可以选择通讯速率2.5 kbps以延长通讯距离。根据实际情况，若要求更长距离的通讯，可以安装一个CAN网桥，能延长一倍的通讯距离，并增加一倍的CAN-bus节点数目。通讯介质也会影响通讯距离，选用矿用阻燃电缆作为传输介质，可以在通讯速率为5 kbps时达到7 km左右的通讯距离。

2.2 响应时间

现场总线的响应时间主要与传输协议有关，协议层次越多，响应时间越慢。现场总线一般有三类：第一类是Profibus、WorldFIP等，采用 IEC61158-3，31.25kBd标准，响应速度慢，用于制造业过程监控；第二类是DeviceNet，SDS等，兼顾了模拟量变送器和执行器的数据传送，在低通讯速率下响应速度也很快；第三类是P-Net、LonWorks等，用于一般设备自动化，响应速度低于第二类高于第一类。根据液压支架电控系统的要求，选择第二类或第三类总线通讯方式均能满足要求。

2.3 本安特性

由于矿井下存在易燃易爆性气体及粉尘，在爆炸危险性等级中属于I型的0区和1区，因此井下设备的电气系统都必须采取相应的防爆措施。目前国际上采用最广的防爆措施主要有：隔爆（Exd）、本安（Exi）和增安（Exe）等，其中本安（本质安全）技术成本低、体积小、安全性高，是低压电器中最常用的防爆技术。煤矿行业中的井下设备还需要满足《爆炸性气体环境用电气设备》标准（煤安标准）[2]。在选用CAN总线传输设备、压力和位移传感器、供电电源等电气元件时要注意满足防爆及煤安要求。

2.4 抗干扰能力

井下环境较差，电磁干扰较强，系统所选用的设备应具备一定的抗干扰能力，保证系统正常运行。

3 系统主要功能分析

液压支架控制系统的功能是根据液压支架的动作确定的，系统通过支架控制器控制液压支架完成指定动作实现以下功能[3]。

3.1 本架推溜功能

操作人员按动本架推溜按钮，本支架开始进行压力检测，确保支架稳定地支撑起煤层，若压力超过设定值，则开始进行推溜动作，行程达到设定参数时推溜动作终止，也可在5 min内手动再按动一次本架推溜按钮手动停止推溜动作；若压力小于设定值，则先进行升架动作，保证支架支撑力符合要求。该动作的程序流程如图2所示。

图2 本架推溜程序流程

3.2 相邻单架单动功能

在液压支架的动作中，从安全角度出发，除本架的推溜动作外，其他动作都需要由相邻液压支架的支架控制器发出控制信号，本架的支架控制器接收主站控制信号控制本架动作，每个支架控制器可以对左邻架、左邻二架、右邻架、右邻二架进行控制。具体流程如图3、图4所示。

相邻单架单动采用点动方式，操作人员选择好要控制的液压支架，按动操作支架控制器上的按钮，本机自动修改为主控模式，并将动作控制信息写入CAN发送缓冲区，松开按钮后，本机将停止信息写入CAN发送缓冲区。被控支架的支架控制器接收到主站动作命令后，自动将本机修改为从控模式，进行相应的单动动作，收到停止命令后，停止动作并将停止信息写入CAN发送缓冲区，主站应答后，清除CAN发送缓冲区。

图3 操作支架控制器单动流程

图4 被控支架控制器单动流程

3.3 邻架成组联动控制功能

邻架成组联动包括成组推拉、成组推溜、成组升降等动作，是指以任意一个液压支架为起始架，向左或向右若干个相邻架被设定为一组，系统发出联动信号后，从起始架开始，液压支架依次按照程序进行动作，直至最末端支架完成动作。操作人员可以任意指定支架组，只有给定支架组的位置和个数后，才能进行成组联动。系统会自动记忆上一次成组联动中组的参数，不需每次操作前重新输入，需要改变组的参数时可由操作人员重新设置。从站发送和接收成组联动命令流程如下页图5所示。

3.4 自动跟随支护功能

在主控制台可以将系统设置为自动模式，通过对采煤机的开采姿态和位置进行实时监测，系统根据接收到的采煤机状态信息，可以控制液压支架自动跟随采煤机进行采区支护，完成指定动作，实现综采工作面的自动化控制，提高生产效率。

3.5 闭锁及紧急停止功能

图5 从站发送和接收成组联动命令流程

因维修需要或其他原因而需要某个或某几个液压支架静止不动时，可以对主站控制液压支架进行闭锁，并且左右相邻的液压支架也会同时闭锁，防止误动作。当需要解锁时，必须在闭锁液压支架的支架控制器上按下解锁按钮才能进行解锁操作，防止误操作。

当发生紧急情况时，在任意支架控制器上按下紧急停车按钮，整个工作区的液压支架会立即停止所有动作，并且在系统复位前不能运行自动模式。

4 结语

液压支架自动跟随支护是实现综采工作面自动化的重要一环。基于总线技术的液压支架控制系统通过通讯手段控制液压支架，不仅能完成多种动作，实现自动化控制，提高工作面的移架和支护效率，而且可以克服井下复杂环境，保证整个系统正常运行。