煤矿用支架电液控系统原理探究

祝大焦，龙丹丹，刘怀莲

（枣矿集团电力公司，山东枣庄，277011）

1.1 国外煤矿支架电液控系统的发展及现状

20世纪50年代，英国研制出世界上第一台垛式液压支架，成功在澳大利亚科里曼尔煤矿进行应用。1985年研制出第二代电液控制系统，该系统设计在运输巷内安装控制台，通过远程控制完成对所连支架控制，从而实现了整个工作面支架的集中控制。

同时期，德国、美国等国先后开始电液控系统的研究。德国威斯特伐利亚公司与西门子公司联合研制成功的PANZERMATIC-E系统，是德国国内第一套液压支架电液控制系统。

20世纪90年代到21世纪初，电液控制技术突飞猛进，取得大规模应用。以美国的电液控系统应用作为参考，1994年末期，美国全国共计81个煤矿综采工作面，其中有73个配备了电液控制系统。电液控应用已经达到了90%多，两年后该比例逼近92.7%。

1.2 国内煤矿支架电液控系统的发展及现状

与西方国家相比较，我国在液压支架及其电液控制技术方面的研究起步较晚。20世纪70年代开始引进德国、英国的支架电液控系统。

1991年郑煤机自行研制电液控系统DYZK-I型，开始试验应用。1996年煤炭科学院研制YLT型电液控系统，并展开试验应用。2008年3月郑州煤机厂研制的电液控制系统，通过国家试验检测中心的测试认证获得相关资质证书，标志着支架电液控系统技术在我国彻底被攻克，我国采煤支护技术获得了长足发展。

目前煤矿支架电液控系统是集机械、电子计算机技术、工业控制技术、网络通信技术等技术为一身的系统。通过程序的相互参数设置，达到侦测煤机位置，驱动支架完成各种动作，从而达到自动采煤的目的。实现采煤的自动化减少采煤工作面工人的数量，降低采煤工人的劳动强度。

煤矿支架电液控系统的核心部件是控制器，所有支架控制的功能键都集成到了控制器的面板上，本机不能操作，对邻架进行操作，保证了操作人员的安全。

煤矿支架电液控核心执行部件为先导阀，它是将电信号转换为液压控制的部件。

煤矿支架电液控系统图如图1所示，包括：地面调度监控中心，井下监控中心，控制器，各类传感器（红外线传感器、压力传感器、位移传感器等），驱动器。

煤矿支架电液控系统有如下特点：（1）采用控制器作为支架的控制中枢，便于集中操作，响应速度快达到ms级；
（2）控制器支架能够根据参数无条件地控制邻架，或者几架成组操作；
（3）控制器通过CAN总线通信能够方便地进行更新程序、参数等操作；
（4）采用红外线侦测采煤机的位置，用压力传感器采集支架立柱压力。

3.1 控制器结构探究

煤矿支架电液控系统的控制器是支架集中控制的核心设备，电路结构如图2所示。

控制器的结构如图2所示，其结构紧凑固定于防爆外壳中，其结构为：显示器，矩阵键盘，急停闭锁按钮，状态指示灯，金属防爆外壳，传感器接口。

控制器的外壳采用防水等级设计，采用12V直流电源有利于使用安全。

3.2 控制器硬件电路结构图

控制器硬件结构由大部分构成，结构紧凑，布局合理如图3所示。

控制器的基本组成结构为：单片机控制核心，起到控制作用，接收矩阵键盘的命令信号，用来显示，并且执行；
矩阵键盘接收工作人员的操作，将信号传递给单片机；
状态指示灯指示控制器的工作状态；
急停闭锁按钮对控制器起到紧急关停的作用；
AD模块将模拟量信号转换成数字信号传递给单片机供显示和判断用；
通信模块，与驱动器进行通信或者与邻架进行通信等；
各结构相互配合共同完成控制任务。

3.3 压力传感器原理分析

压力传感器是探测立柱内的压力的主要器件，其采用压力传感器模块通过与液压联通的孔洞与高压乳化液相连，压力值转换电路将乳化液的压力值转换为对应的电压值或者电流值。然后通过连接器传递至控制器进行压力的显示以及逻辑判断，并输出相应的功能。

该压力传感器能将0～60MPa的压力转换为0.5～4.5V电压，最大密封压力为70MPa。该压力传感器完全适合于煤矿液压的供液液压压力的测量，能够准确地显示压力，并且采用具有足够的检测精度。如果使用扩散硅压力传感器模块最大监测压力能达到100MPa。

控制器通过A/D模块将压力传感器传过来的电压信号转换为数字信号，并显示在显示屏上。

控制器根据管道内压力的数值进行自动补压，保持支架立柱内的压力值。

3.4 红外线传感器原理分析

红外线传感器是感知煤机位置的器件：煤机上面安装有红外线发射器Ug，支架上安装有红外线接收器Ut，从而确定煤机所在的支架号数并显示在控制器上。

红外线传感器由红外线传感器模块、转换电路、四芯连接器组成。当红外线传感器模块接收到红外信号后经转换电路转换成模拟信号，再通过连接器将信号传递给控制器。从而确定煤机的位置。

红外线传感器的采用红外线接收器，同时测量红外线来源的角度，能够判断采煤机是在此红外传感器的正前方还是上行或者下行。

3.5 驱动器原理分析

驱动器是将控制器的命令信号转换成驱动具体先导阀的设备，每一根线控制器一个电磁阀两个功能。

通过通信线接收控制器的命令，采用CAN、RS-485总线通信方式。接收到信号后通过转换电路，转换为具体驱动器动作的信号。驱动接口与电磁先导阀连接，驱动电磁先导阀动作，从而控制立柱的升降。

单片机接收到信号后将控制传来的动作信号转换为具体每一路的驱动信号，驱动先导阀进行动作从而驱动此路主阀动作进行通液。

3.6 电磁先导阀原理分析

电磁先导阀是连接电控与液控的执行元件，它将电控信号转换为液控驱动信号，打开液控主阀的电开关。

该电磁先导阀电磁部分结构分为：线圈、转换电路、先导阀接口。当电磁先导阀接收到驱动器12VDC的电路后经过转换电路的转换，从而驱动线圈动作，打开或者关断电磁先导阀。先导阀关闭时反向二极管吸收线圈所产生的反向电动势快速的关断先导阀。

煤矿支架电液控电路，以集成电路为主包括：ARM单片机、CAN通信模块、集成开关电源模块、模拟电路、显示屏驱动电路、按键电路等，其主要以数字电路为主。通过各个系统相互协调，共同完成控制任务。

4.1 NXP LPC2294HBD144单片机介绍

NXP LPC2294HBD144单片机是以ARM控制核心为基础的单片机，以其低功耗和高性价比的优势逐渐步入高端市场，成了主流产品。采用了新型的32位ARM内核，使其在指令系统，总线结构，调试技术，功耗以及性价比等方面性能优越。同时ARM单片机在芯片内部集成了功能电路，在功能和可靠性方面大大提高。

该控制器采用军工级NXP单片机，其特性如下：具有先进的指令域，使其指令集和指令译码都得到了极大简化。具有统一的寄存器，使指令执行速度加快。采用特殊的存储结构，数据处理时仅对寄存器操作。采用自动寻址方式，进一步提高循环程序的执行速度。引入寄存器操作指令，有利于实现数据处理速度的最大化。

4.2 时钟电路介绍

煤矿液压支架控制器采用11.0592MHz晶振，时钟频率较高，执行代码速度快使控制器相应速度提高。串口芯片SC16IS752的时钟芯片采用1.8432MHz晶振。

目前单片机普遍采用此功能的晶振作为时钟频率，提高了代码的执行效率。使控制器在相应方面大幅度的提高。

4.3 ADUM1411芯片介绍

煤矿液压支架控制器采用ADUM1411标准数字隔离器，该隔离器为四通道数字隔离器。不需要外部驱动器和其他分立器件，能逻辑控制其工作技术参数先进：支持多种通道配置和最高达10 Mbps的数据速率。通用多通道隔离SPI 接口/数据转换器隔离、RS-232/RS-422/RS-485收发器、工业现场总线隔离。

该数字隔离器应于与控制器将信号进行隔离，更好的保护控制单元，使信号稳定输出。

4.4 按键电路介绍

如图8所示，控制器采用的按键操作电路，按键K1直接与电源相连，另一侧与NXP的输入引脚相连。当K1按下后，给NXP引脚一个高电平，同时LED1点亮指示按键按下。

4.5 显示屏电路介绍

如图9所示，该电路为控制器所使用的OLED驱动电路图，1#引脚接地、2#引脚电源、4#引脚为数据/命令选择、5#引脚为写命令选择、6#引脚为读命令选择、7#～14#引脚为数据传输引脚。

4.6 软开关介绍

煤矿液压支架控制器采用贴片三极管作为软开关电路的主要元器件，三极管工作在开关模式。三极管的基极作为控制极，添加导通电压后导通，起到控制电路导通的作用，实现对输入输出口的控制。在输出口串联自恢复保险，能自动保护下游电路，并且当故障消除后能自行恢复。电路图如图10所示，R7为限流电阻、Q1为三极管开关器件。

煤矿支架控制器软件部分分为底层程序和应用程序：底层程序主要是写入单片机中，控制器的最基础的应用；
应用程序主要为输入输出的控制，A/D模块的驱动，显示驱动控制通信等。

5.1 底层程序结构探究

控制器底层程序结构图如图11所示，上电后检测存储器内是否有应用程序，如果没有则进行更新程序的提示，并检测确认键是否按下，更新程序确认键按下后开始从左邻架或者右邻架进行程序自动更新。如果没有人工进行操作则一直报警等待。如果有程序则调用执行应用程序。

5.2 应用程序结构探究

控制器应用程序上电后首先检测程序版本是否一致，如果不一致则控制器提示版本不同并报警，提示更新程序版本操作。在程序版本一致的情况下，控制器程序检测是否进行工作面编址，如果没有则控制器提示编址错误，并提示进行控制器编址。在编址正确的情况下，控制器程序检测参数设置情况，必须进行完正确的参数设置后方能进行控制器的操作。

控制器应用程序识别按键的并执行相应的功能，当进行邻架操作时按下邻架操作按钮，待控制器提示能进行邻架操作后方能进行操作。控制器程序结构图如图12所示。

本文通过对控制硬件和软件的探究，使我对控制器的原理有了深入的了解，以工作经验提高了自身理论水平。通过分析控制器内部硬件的组成，对于控制器的各部分的电路构成有了深入的了解。在工作中通过对操作软件的操作，总结了大体的软件结构及其工作原理对本职工作有了较大提高。