液压支架电液控制系统设计分析

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摘要：针对现有液压支架电液控制系统存在稳定性差、适应性弱以及延时较长的问题，基于C8051F020芯片设计液压支架电液控制系统，给出电液控制系统总体设计框图，并基于该框图详细分析硬件、软件系统设计。经实验测试，基于传感器技术、RS485通信以及SPI通信技术，该系统能够实时、准确地传送液压控制器间数据，保障了液压支架动作的准确性。

关键词：C8051F020芯；软件；测试

引言

液压支架是煤矿井下综采工作面的重要设备之一，分布于整个综采工作面，主要完成采空区的支护工作，即在采煤机后方，液压支架完成降柱、抬底、移架、落底、升柱、伸护帮以及推溜动作，对采空区进行支护，同时将刮板输送机向工作面方向推进一个步距；在采煤机前方，液压支架完成收护帮动作，为采煤机截割煤壁留出空间[1]。为提升综采工作面生产效率，研究液压支架电液控制系统使得液压支架能够根据采煤机实时位置，自动完成各种动作，同时配合采煤机、刮板输送机完成采煤任务。液压支架电液控制系统是集机械、液压以及电气为一体的复杂控制系统，英国道梯公司最早提出并研究液压支架电液控制系统，并形成以控制先导阀为目标的控制体系，并将按钮式微控制液压系统应用于美国的坎赛尔煤矿；德国研制的Panematic2E、Paner2-matic2S5、PM2、PM3以及PM4等支架电液控制系统在煤矿井下得到广泛应用；日本三井三池、波兰EMA以及法国、美国等也先后研制出可靠、功能较完善的液压支架电液控制系统[2-5]。国内的北京煤机厂、郑州煤机厂、煤科总院太原分院等也相继研制出液压支架电液控制系统，并在大同矿务局、邢台煤矿以及神东煤矿得到广泛的应用[6]。为进一步增强液压支架电液控制系统的稳定性、可靠性以及适应性，基于单片机控制技术，完成液压支架电液控制系统的设计。

1系统设计

煤矿井下液压支架电液控制系统主要完成操作支架的所有动作，如升/降立柱、推溜、移架、拉架等。操作者通过支架控制器的按键发出控制命令，可实现对液压支架的单架控制、临架控制、成组控制、就地闭锁、紧急停止等。液压支架控制器通过获取传感器组实时数据，并经A/D转换后，结合液压支架控制器存储参数，作为控制液压支架的条件。操作者通过液压支架控制系统，可完成对液压支架控制过程的功能设置和参数设置，设置的参数信息多样且可调，使液压支架控制系统具有较强的灵活性和适应性。操作者通过液压支架控制系统可查看液压支架状态信息，如控制（工作）状态、故障错误信息、设置及参数值、检侧值以及控制器本身的某些运行参数等。液压支架控制器有LED字符显示窗口，各种LED状态显示及蜂鸣器作为信息媒体，使系统与操作者之间得到良好的沟通。液压支架电液控制系统设计总体框图见图1所示，根据综采工作面的长度，配置支架控制器个数。支架控制器获取传感器组数据并经逻辑处理后，控制器电液换向阀进行控制液压支架执行相应的动作。支架控制器之间以RS485进行通信，并经耦合器后与井下主机、井下交换机相连，最终以TCP/IP通信模式将数据发送至地面主控计算机。

2硬件设计

液压支架电液控制系统中支架控制器主芯片选用C8051F020高性能处理芯片，一个机器周期只由一个时钟周期组成，可执行一条指令；该芯片允许扩展中断源，可扩展至22个；片内资源包括8~12位多通道ADC，8~64个通用I/O口，2个UART以及Flash、RAM、片内时钟、看门狗等，满足支架控制器设计要求。电液控制系统中所用的关键传感器主要技术参数如表1所示。液压支架电液控制系统的电源为双路DC12V电源，由AC85V-AC265V电源经A/C开关电源模块以及过压、过流保护电路处理后，输出DC12V电源，保证电液控制系统的正常供电。双向隔离耦合器主要用于对支架控制器之间的RS85以及SPI通信信号进行电气隔离和信号耦合，保证电液控制系统通信质量。

3软件设计

液压支架电液控制系统的软件采用C+汇编语言编程实现，在KeilC51软件中完成控制系统的软件程序编写，在proteus软件平台搭建硬件实现电路并进行仿真。图2所示为液压支架控制系统软件主流程，在完成系统初始化以及资源配置后，执行键盘扫描程序，巡检是否有按键按下。如果有按键按下，则执行按键功能子程序；如果没有按键按下，则检查中断信号，是否需要执行中断子程序。液压支架电液控制系统的中断子程序包括模式切换、单架控制、临架控制、成组控制、集中控制以及远程控制中断子程序。图3所示为液压支架电液控制系统的模拟量信号采集软件流程，为完成液压支架动作，支架控制器需要实时采集压力、位移、红外以及倾角传感器的模拟量信号，经A/D转换以及软件滤波后，进行逻辑处理，控制电液换向阀动作。

4系统测试

在实验室完成液压支架电液控制系统的调试与测试，测试内容主要包括单架单动作控制、邻架单动作控制、邻架联动控制、成组自动控制、急停/闭锁控制以及声光报警控制等。利用液压支架控制人机界面对液压支架进行操作，经对测试数据进行记录、统计和分析，该电液控制系统能够较好地完成液压支架控制。

5结语

针对综采工作面液压支架分布数量较多，电液控制系统的实时性、稳定性较差的问题，设计并开发基于C8051F020芯片的液压支架电液控制系统，在软件实现中设计多种控制模式，满足液压支架的控制要求，同时基于RS485以SPI完成支架控制器之间的数据通信。系统测试结果表明，所设计的电液控制系统能够满足综采工作面液压支架控制要求，保证煤矿安全、稳定生产。

参考文献

[1]申宝宏，郭玉辉.我国综合机械化采煤技术装备发展现状与趋势[J].煤炭科学技术，2012，40（2）：1-3.

[2]马鹏宇，余佳鑫，陆廷锴，等.国产液压支架电液控制系统现状[J].中国机械，2013（11）：211-212.

[3]伍小杰，于月森，等.液压支架电液控技术的现状及展望[J].煤炭科学技术，2009，37（1）：25-29.

[4]杨世华，宋建成，田幕琴，等.基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统开发[J].工矿自动化，2014，40（8）：1-5.

[5]蒋春悦，田慕琴，宋建成，等.自动化工作面液压支架控制器设计[J].工矿自动化，2014（9）：1-5.

[6]郭卫，李绩.PLC在矿用液压支架电液控制系统中的应用研究[J].煤矿机械，2015，36（1）：3-5.

作者：王瑞彪 单位：西山煤电（集团）有限责任公司机电修造园区科技发展分公司