基于CAN 总线的薄煤层液压支架电液控制系统设计

田 伟

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 太原 030053）

引言

我国煤炭开采常常出现采厚弃薄的情况，使得较多的薄煤层未得到开采，造成大量煤炭资源浪费。在进行薄煤层开采中，由于工作面安全空间小、劳动强度较大，所以开采薄煤层并不划算。随着开采技术的不断升级，薄煤层开采技术也在不断成熟，薄煤层开采也成了大势所趋[1]，保证薄煤层开采安全成为了首要的目标。目前薄煤层液压支架作为综采重要的机械设备，其性能很大程度上影响着开采安全，所以提升薄煤层液压支架的工作效率十分必要[2]。

1 液压支架控制系统整体结构

薄煤层液压支架是综采重要的设备，其在采煤过程中承担着支撑顶板的作用，为刮板输送机、采煤机及工作人员提供必要的安全空间。在进行薄煤层液压支架设计时，首先需要考虑支架的稳定性及空间性。本文设计的薄煤层液压支架电液控制系统总体目标是通过信息传输实现无人化、智能化目的，具体结构如图1 所示。

图1 电液控制系统的整体结构图

井下防爆计算机与地面计算机共同组成控制系统的上位机部分，通过环网进行井上井下的信息互换，监控系统及上位机软件采用Client/Server 架构设计，通过检测液压支架立柱的压力信息进行矿压趋势的分析，从而实现空顶、矿压监测及通信线路故障预警等功能，顺槽监控系统与地下监控系统采用SQLserver 和PowerBuilder 数据库进行开发，两个监控系统可以共享数据，有效保证运行安全。井下顺槽计算机集成工作面所有数据，可以任意显示一台液压支架的参数，同时通过光纤将数据传输至地面主机。液压支架控制器作为控制系统的下位机，其直接作用于液压支架，支架控制器能够实现人工及自动两种操作模式，是整个系统数据的接收端，将采集到的数据进行整合传输至上位机，控制器包含位移传感器、压力传感器、红外传感器、倾角传感器等，众多元件共同组成液压支架电液控制系统。

2 控制器选型

对液压支架控制器进行硬件选择，根据数据采集、数据传输、故障报警、数据储存等功能，选定STM32F407ZGT6 中央处理器，其具有结构体积小、处理能力强、能耗低等优点。对单片机进行选型，首先需要满足所要求的基本功能，本文选择型号为STM32F407ZGT6 单片机，其具有丰富的I/O 接口，采用32 位内核处理器、168 Hz 运行频率，具备低能耗、高处理的要求。同时其具备存储能力强、信息采集能力强、外设资源丰富等优点，可充分满足性能需求。对单片机的最小系统单元硬件进行选型，最小系统中包括了复位电路、供电电路、下载电路等，供电电路根据电路模块的工作电压情况选定为3.3 V、5 V 和12 V；复位电路采用RC 低电平复位电路；下载电路的下载接口分为20 针、10 针JTAG 接口和SWD 接口。

2.1 控制系统基本单元硬件设计

对控制系统基本功能单元硬件进行设计，结构单元主要包括LCD 显示电路、声光报警电路、闭锁电路等，首先LCD 电路采用STN 型LCD12864 点阵式显示模块，其尺寸为90 mm×70 mm×12.5 mm，LCD12864 显示模块的正常工作电压为4.5～5.5 V，正常工作温度要求较低，能够较好地满足矿井工作要求。声光报警电路在系统遇到紧急情况或者故障时，及时进行报警提醒，当支架处于待机状态时，此时系统的所有指示灯不亮，当人工进行操作时，此时系统指示灯为绿色，当系统出现故障指示灯立刻呈现红色并报警，此时系统会在显示模块显示急停、闭锁的信号。本文设计的声光报警电路选择蜂鸣器和工作电压12 V 的指示灯，通过三极管实现对指示灯及蜂鸣器的控制。声光报警电路示意图如图2 所示。

图2 声光报警电路示意图

从图2 可以看出，在电路中RED 连接单片机，当GPIO 口为高电平时，此时RED+与RED-之间的红色报警灯会亮，而同样的绿色指示灯与红色指示灯的工作原理相同，通过采用三极管作为开关元件，有效保证故障报警的响应速度，同时通过多次的试验验证了设计电路系统的可行性与可靠性。

2.2 系统通信单元设计

对系统的通信单元进行设计，首先对CAN 通信电路进行设计，控制器是CAN 通信总线的节点，节点采用物理层器件，STM32F407ZGT6 单片机共有2路CAN 控制器，本文的CAN 通信节点包括隔离电路、防冲击保护电路、收发器。其中隔离电路采用光耦合器6N137，能较好地实现输出输入的分离；防冲击保护电路由二极管、限流电阻及滤波电容组成，避免元件发生过载冲击破坏，接收器选用PCA82C250芯片，其具备很强的抗干扰能力且通信速率可以达到1 Mbit/s。邻架电路是指相邻支架间的电路，其通过RS485 线路进行连接，由于矿井环境较为恶劣，所以邻架通信电路需要具有很强的防丢失能力，邻架电路由隔离电路、防高压侵入电路、失效保护电路、MAX485 收发芯片组成，保证稳定运行。

2.3 系统驱动单元设计

驱动单元的设计是对电磁先导阀的驱动参数进行设计，根据研究发现电磁先导阀的工作电压为5～12 V，根据单片机特点及驱动要求设计驱动单元，驱动单元流程如图3 所示。

图3 驱动单元流程

从图3 可以看出，单片机的I/O 口为高电平，所以在配置输出模式时需要与执行单元进行对应，单片机将电平信号传输至限流滤波保护装置后分为高电平和低电平两种信号输入开关单元，衬板电路用于提供12 V 的系统工作电压，通过MOSFET 的输出特征控制电磁阀。

数据采集单元是整个电液控制的核心单元，其主要负责采集电压、位移等参数，通过与红外线传感器、压力传感器、位移传感器等进行连接，检测液压支架的立柱压力、机推溜行程等数据，采集模块的流程如图4 所示。

图4 采集模块的流程

首先传感器对液压支架的运动参数及工作参数进行采集，将采集到的信号通过电路进行传输，为了保证信号的完整性，避免出现信号丢失等问题，在系统中加入信号保护电路，信号传输至转换及处理模块时会进行处理及反馈，并将处理的结果及分析展示于显示模块。

3 结语

本文对薄煤层液压支架电液控制系统进行设计，首先给出了电液控制系统的整体结构图，并对结构图中结构功能进行分析，后对薄煤层液压支架电液控制系统核心部件支架控制器进行研究，分别给出了最小系统单元、通信单元、基本功能单元、驱动单元及采集单元硬件选型及其优势，为薄煤层开采液压支架控制系统设计提供一定的参考，为矿井高效开采提供依据。