液压支架控制系统的设计与实现.pdf

华南理工大学 硕士学位论文 液压支架控制系统的设计与实现 姓名陈苏波 申请学位级别硕士 专业控制理论与控制工程 指导教师陈立定 20090501 摘要 随着国家对煤矿安全生产要求的提高，国内各煤矿对安全生产配套设备的应用也日 益广泛。本论文所研究的控制系统是为国内某重型机械公司生产的矿用液压支架而设计 的装置。在根据我国的煤矿安全生产标准的基础上，对系统的功能要求与技术要点进行 了分析，并给出了整体控制装置的软硬件实现。本论文主要完成了以下研究工作。 首先，对国内外液压支架的主流控制系统的控制器、系统组成结构和通信方式进行 分析对比。根据煤矿生产的具体情况和协作要求，本装置采用了以单片机为控制芯片， 利用单片机的U A R T 通信接口组网。然后对系统的组成和功能进行了阐述。 其次，对控制系统的硬件组成进行了设计分析。对系统的电源、支架控制器和电磁 阀驱动器的功能进行了具体的分析和设计实现，并对通信适配器、电源适配器和一些外 围电路进行了简要的设计说明。 再次，根据功能要求，设计并实现系统的控制软件。为了满足整个工作面的信息交 换和控制要求，设计了通信协议；根据系统的动作控制类型，设计出控制流程，并对相 关的错误进行了分析解决。 最后，对上位机的实时监控与控制功能进行了相关的介绍。 关键词煤矿安全；控制系统；U A R T 通信；实时监控； A b s t r a c t W i t ht h es t a t e ’sr e q u i r e m e n to fc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ni n c r e a s e d ，m o r ea n dm o r e s a f e t ye q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e di nd o m e s t i cc o a lm i n ep r o d u c t i o n ．I nt h i sp a p e r , w e r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hd e s i g n e dt oat y p eo f h y d r a u l i cs u p p o r tp r o d u c e db y d o m e s t i cm a c h i n e r y , b a s e do nC h i n a ’Sc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ns t a n d a r d s ，w ea n a l y s i s s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i q u e s ，a c h i e v et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed e v i c e ．I nt h i s p a p e r , t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sf o l l o w i n g ． F i r s to fa l l ，a n a l y s i st h ec o n t r o l l e r , s y s t e ms t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o n so fm a i n s t r e a m h y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e mi nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c c i r c u m s t a n c e so fc o a lm i n ea n dc o l l a b o r a t i o nr e q u i r e m e n t s ，o nt h i sb a s i s ，t h ed e v i c eu s e s M C Ut ob ec o r ec h i p ，c o m m u n i c a t e sw i t he a c hc o n t r o l l e r u s i n gU A R Ti n t e r f a c e ，t h e n d e s c r i b e st h es y s t e mc o m p o s i t i o na n df u n c t i o n ． S e c o n d l y , d e s i g n st h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ．W ea n a l y s i sa n d d e s i g nt h ep o w e r , f r a m ec o n t r o l l e ra n ds o l e n o i dv a l v ed r i v e ，a n dg i v eab r i e fd e s c r i p t i o na b o u t t h ec o m m u n i c a t i o n sa d a p t e r , p o w e ra d a p t e ra n dan u m b e ro f p e r i p h e r a lc i r c u i t s ． T h i r d l y , a c c o r d i n gt of u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，d e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es o f t w a r e s y s t e m ．D e s i g n st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt om e e tt h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n dc o n t r o l r e q u i r e m e n t sa b o u tt h ew h o l ef a c e ；d e s i g n sc o n t r o lp r o c e s s ，a n dr e l a t e de r r o r ss o l u t i o n , a c c o r d i n gt ot h et y p eo fc o n t r o lr e q u i r e m e n t ． F i n a l l y , d e s c r i b e st h eP Cr e a l t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf u n c t i o n s ． K e y w o r d M i n eS a f e t y ；c o n t r o ls y s t e m ；U A R Tc o m m u n i c a t i o n ；r e a l - t i m em o n i t o r i n g ； I I 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名梆 日期腓g 月7 日 J 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅 除在保密期内的保密论文外 ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于 口保密，在年解密后适用本授权书。 日不保密。 学位论文全文电子版提交后 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 请在以上相应；b - 框内打“4 ” 作者签名晾玲 指导教师签名 日期了以g 。7 日期岬。6 。1 第一章绪论 1 ．1 研究背景 第一章绪论 我国的煤层储量多，分布范围广，储存条件复杂，就全国来说，由于地质条件复杂 和资金不足等原因，虽然经过十几年的努力，综采程度仍只有2 1 ％，而国外发达国家综 采程度一般已达7 0 ％, - - ．8 0 ％[ 1 翻。液压支架电液控制装置是实现综采工作面高产高效的关 键技术设备，也是今后的综合采煤技术的发展方向，这是我国国民经济快速发展和煤炭 生产高产高效集约化发展的需要，是煤炭生产技术发展进步的必然结果‘2 1 。近年来，由 于国家对煤矿安全生产的重视，我国采煤综合机械化的水平得以迅速发展，随着综合机 械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、刮板输送机在煤矿采掘中的应用，采煤 机、刮板输送机和液压支架三者间的联动也越来越被人重视【3 1 。综合采煤区的联动推进 要求支架与之相配套，但若支架的控制系统没有达到一定的自动控制水平，则在采煤过 程中很难实现三者问的联动。目前，我国国产液压架的控制方式仍停留在手动单向邻架 控制或本架控制水平【4 】。这种控制方式存在严重缺点 1 工人工作条件差、易于疲劳、安全性差。 2 手动液压支架的移架推进速度慢、影响采煤的效率。 3 手动操作过频、支架故障率高。 液压支架采用电流控制系统实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支 架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作 面的支架进行远程控制或程序控制【5 6 ～。使整个工作面具备以下特点 1 改善了工人的工作环境，减少工作强度，节省操作时间，提高工作效率，能 有效地促进煤矿的安全生产。 2 由于液压支架的行程传感器的存在，能有效地保证整个工作面的推进进程的 一致性，防止输送机链条的扭曲导致液压支架受力不均从而引发支架倾倒等事故。 3 由于液压立缸内的压力传感器的存在，可以设定液压支架的初撑压力，方便 控制顶板上的保护设备。 1 ．2 国内外发展现状 采煤工作面的液压支架电液控制技术在美国、澳大利亚、德国等煤炭生产发达的国 华南理工大学硕十学位论文 家已经得到了普遍的应用【1 1 。近期我国的煤炭生产企业对液压支架电液控制技术表现出 了极大的兴趣和高度的关注，纷纷派人到国内外的应用单位去参观和考察调研，进行应 用的可行性分析和前期的研制准备工作，可以预见液压支架电液控制技术在我国的应用 将越来越广。 由于起步较晚，我国的液压支架电液控制技术远远落后于一些先进国家。同时在我 国的工业领域中，液压支架的设计和制造技术水平相对落后于其他行业，先进的微电子 控制技术应用较少，工作过程中的动态监测的技术还比较落后，采煤区的综合采煤技术 还是空白。种种现状表明，液压支架电液控制技术的国产化对于我国煤炭生产行业而言， 既具备非常重要的战略意义，同时又面临非常严肃的紧迫性。 我国在1 9 6 4 年由太原煤炭研究分院和郑州煤机厂设计7 0 型迈步式自移支架，从此开 始了液压支架的国产化道路【3 】。1 9 8 4 年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河 矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，继而研制了多种低位、中位和高位放 顶煤支架，成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面上得以应用。1 9 9 0 年 后，国产液压支架得到了全面的发展，近年来我国神华集团神东公司、晋城煤业集团分 别引进了德国D B T 公司、美国J O Y 公司多套大采高自动化工作面成套设备【4 】。使用证明， 引进的设备技术先进、可靠性高、效率高、寿命长。多年来，在液压支架技术的不断发 展中，我国形成了以煤炭科学研究总院、北京煤矿机械厂、郑州煤矿机械厂等为主的支 架研究设计队伍。在液压支架设计中，计算机辅助设计和优化设计在液压支架的设计中 得到了广泛的应用，使用C A D 软件作为基础设计平台，并在此基础上组织设计和计算机 应用方面的技术骨干进行二次开发，构建了液压支架及液压零部件设计的专用平台。在 此平台上可以快速有效地进行液压支架的设计与计算，实现液压支架相关数据的自由交 换，并能实现部分零部件的参数化设计，开发出强度计算软件，可以模拟支架在井下的 各种使用工况并进行强度分析计算，三维动画模拟可以对支架进行全方位的运动学分 析，庞大的液压支架零部件数据库为设计提供了极大方便，可以迅速地从几百个方案中 确定最优化的设计方案。由于高可靠性设计、有限元分析等理论得到了普遍应用，使支 架的设计强度有了充分的保障。 1 9 9 1 年北京煤机厂研制出第一套B M J 2 - I 型支架电液控制系统，在晋城古书院煤矿 进行了井下工业性试验，并于1 9 9 2 年4 月通过初步鉴定，在此基础上改进的第二代B M J 2 一 I I 型支架电液控制系统于1 9 9 2 年1 2 月至1 9 9 5 年5 月在井下进行工业性试验【4 ，5 1 。郑州煤机 厂1 9 9 1 年5 月研制出D Y Z K 2 一I 型支架电液控制系统，1 9 9 2 年5 月在大同四台矿完成井下工 2 第一章绪论 业性试验，在I 型的基础上又经过多次改进，于1 9 9 3 年9 月开发出D Y Z K 2 一I I 型支架电液控 制系统，在邢台煤矿进行井下工业性试验并通过鉴定。 国外早在2 0 世纪7 0 年代开发研究工作进入了实质性应用的阶段。到了2 0 世纪9 0 年 代，液压支架电液控制技术己经成熟，工作性能和可靠性己能满足使用要求，成为发达 产煤国家综采工作面液压支架的标准控制设备。国外研发、生产液压支架的主要企业有 德国D B T 公司、美国J O Y 公司等【8 】。D B T 公司产品市场主要分布北美、加拿大、南美、 澳大利亚、南非、中国、波兰、法国、英国，德国等地，据调查D B T 公司已占有煤矿综 采产品5 0 ％的国际市场份额，是世界上采煤技术实力及生产规模最为强大的企业之一 【9 l o 】。该公司的最新产品型号为P M 4 ，是在威斯特伐利亚与M A R C O 公司合作开发的P M 2 的基 础上发展起来的，在美国、澳大利亚应用良好。美国J O Y 公司是一个具有7 0 多年历史， 技术实力雄厚、生产规模较大，系集煤矿综采设备研发、生产、经营为一体的综合性企 业。在世界各主要产煤国分别组建了分公司，产品的市场主要分布在北美、加拿大、南 美、澳大利亚、南非、中国、波兰、法国、英国，德国等地【l 。J O Y 公司的液压支架电液 控制系统在市场上也占有一定的份额，其产品在技术和工艺也较成熟，但其设计思路与 德国不同，结构比较复杂，重量、体积都比德国产品大很多，使用效果也不如P M 4 。当 前国际上主流的液压支架电液控制系统主要有D B T 公司的P M 4 、J O Y 公司的R S 2 0 。 1 ．3 课题研究内容 本装置是为国内某重工机械有限责任公司液压支架产品而设计的控制系统，以提高 综采工作面生产效率、降低工人劳动强度和保障安全生产为目标，主要完成对工作面液 压支架的动作控制，达到与高效采煤机相匹配，同时配合井下监控系统，对工作面生产 过程进行实时监控。 设计方面，通过对液压支架电液控制装置的关键技术分析，提出以应用为先导，在 系统集成的基础上快速开发系统原型，并在此基础上，本着节约成本的原则，自行设计 以单片机为控制芯片的支架控制器的内部硬件结构以及内部接口，采用可靠性高，资源 丰富的元器件，减少分立元件数量，提高系统集成度，保证性能的前提条件下降低成本。 在实现煤矿安全生产的基础上完成以下工作与研究1 1 2 , 1 3 】 1 在硬件上，设计并实现电源供电模块、压力和行程传感器输入电路、采煤 机位置探测与定位红外传感器模块、支架控制器主控板模块、I ／O 和显示模块、电磁阀 控制模块。 3 华南理下大学硕士学位论文 2 在控制软件设计及控制流程上，实现整个工作面液压支架的不同工作模式、 不同的动作类型的控制、相关参数的设定、数值检测与报警、保证系统的实时性。 3 在通信上，利用控制器的现有外围接口电路和通信电缆设定通信标准并实现， 保证控制器与控制器之间、控制器与上位机的数据交换和监控。 4 第二章系统总体设计 21 引言 第二章系统总体设计 综合采煤工作面由采煤机、刮扳输送机、装载机、液压支架等部件组合而成，其实 际现场示意图如下图2 - 1 所示吼 图2 1 采煤工作区示意图 液压支架支撑采煤区的煤层并为采煤机、刮扳输送机提供工作空间和相应的防护空 间，支架底座与镏子的底座通过液压缸相连；刮板输送机靠近液压支架侧是固定的轨道 圆钢，为采煤机提供运行轨道，两端的大功率电动机用来带动刮板链条运煤；采煤机沿 轨道运行，刨刀以给定的深度将煤从煤壁E 刨下，通过刮扳机把煤运出工作面【l “。当采 煤机采完一定厚度的煤层后，液压支架面不动，通过加压与镏子底座相连的液压缸推动 镏子前进；然后，镏子不动，液压支架下降并起底，收缩液压支架与镏子底座间的液压 缸拉动液压支架前进，从新进入另一个煤层面的采煤工作。 液压支架在整个采煤过程中，提供强大的支撑力以维持整个工作面的高度和空间， 以保证通风畅通和各种作业的正常进行，同时为煤矿工人和工作面的设备提供防护。电 液支架控制系统是目前先进的液压支架控制方式，在实际生产中可以大大地减少操作工 人的工作强度，可以为煤矿的监控上位机提供实时的信息，有效地保证工作面的安全植 工【”】。液压支架的组成结构如图2 - 2 所示。 华南理T 大学硕士学位论文 图2 - 2 液压支架示意图 2 ．2 主流控制系统的介绍与分析 目前在我国煤炭开采中应用比较广泛的液压支架控制系统主要有德国D B T 公司的 P M 4 、M A R C O 公司的P M 3 1 、E E P 公司的P R A - m a t i c 系列，这些公司的控制系统都有 自己的一些特点，下面将对这些控制系统进行比较说明介绍。 2 ．2 ．1P M 4 控制系统 P M 4 电液控制系统主要有电源、支架控制器、电流控制阀组、传感器、电磁阀驱动 器、隔离适配器等组成，如下图2 ．3 所示【1 4 】。 电 探 电源 图2 3P M 4 控制系统组成图 其中，支架控制器负责采集相关的数据并根据程序进行相关的控制，其运行状态分 为三种不同的状态 1 空闲态支架控制器处于非工作状态，输出部件显示相关的参数。 6 第二章系统总体设计 2 输入态菜单选定，输入相关的工作状态和工作参数。 3 工作态分为主动和被动两种工作方式，处于主动状态时，控制器所在支架由本 控制器进行操作，处于被动态时该支架由相邻的支架上的控制器进行了控制。 2 ．2 ．2P M 3 1 控制系统 P M 3 1 的支架电液控制系统组成如下图2 ．4 所示，主要由电源、井下主控计算机、 电液信号转换元件、电液控制阀组、环网交换机、T C P ／I P ／T b u s 总线网关、调制解调器 等构成[ 1 6 , 1 7 ] 。 压 采煤机 图2 - 4P M 3 1 控制系统组成原理图 整个工作面的支架控制器之间通过B i d i 线与左右相邻控制器相连，由T h u s 总线构成 整个工作面的通讯网络。该系统采用三层网络结构，与左右邻架的相关操作信息可以由 B i d i 线传送，这种网络构成可以减少总线上的一部分通信量。 1 监控层由电液控制主机、工作面系统集成主机组成，其中电液控制主机完成 对工作面液压支架的信息采集、显示、存储和故障诊断；工作面系统集成主机负责采煤 机、刮板运输机等数据的采集和上传，实现液压支架远程控制。 2 传输层由环网交换机、光缆等组成，实现监控层和地面调度层之间的数据传 输。 3 调度层由电脑主机、大屏幕显示器及相关的控制软件组成，实现对工作面的 7 华南理T 大学硕士学位论文 实时数据存储与显示，相关图形化的监控。 2 ．2 ．3P R A - m a t i c 控制系统 P R A ．m a t i c 控制系统是一种本质安全型和大功率用于对液压支架进行电液控制的电 子装置【18 1 。支架的各个功能都是采用计算机一传感器技术自动进行。控制装置通过中央 总线与工作面控制中心及地面监控调度中心相连，与控制过程相关的重要数据都传送到 地面监控调度中心以便操作人员了解整个过程。其组成如下图2 - 5 所示。 压 图2 ．5P RA - 仰a t i c 控制系统组成示意图 1 支架控制器组成部分其中每个液压支架都有支架控制器、电源、红外遥控器、 压力传感器、位移传感器、电磁先导阀和主控阀组。 2 网络连结每个工作面首尾两端都有一个井下服务器连接到井下中央主控机、 P r o f i b u s 总线网络；总线网络与井上监控调度中心的主机通过中继器和连接器相连。从 而构成一个整体的控制网络系统。 2 ．2 ．4 性能要求 通过对上述三种不同的控制系统各自特点的分析和比较我们集众家之所长对控制 系统提出如下要求1 1 2 , 1 3 ] 1 支架控制器方面由于矿井下的工作条件的限制，对控制器的体积有一定的 8 第二章系统总体设计 要求，在对比P L C 、单片机的各性能后的最终采用单片机作为控制芯片；输入输出要采 用声光提示，诸如发光二极管和显示部件等发光器件的亮度要够；操作要简单并有相关 文字显示提示。 2 通信网络方面鉴于矿井的特殊工作环境，网络布线及维护工作难度大，在 满足基本信息传输带宽的前提下，通过控制器之间的电缆组网成一个串行通信链路，在 整个工作面的两端连接服务器与地面控制站进行数据交换。 3 其它方面在满足配制安全要求及稳定性的前提下，所有部件要尽量体积小， 重量轻、便于安装；能满足对支架所有动作的控制功能和煤机联动控制。 2 ．3 系统的组成 通过上述的性能分析，结合实际生产情况，我们所采用的控制系统特征如下所述。 综采工作面一般由1 5 0 - 2 0 0 台液压支架组成，液压支架由电液控制装置所控制，每套装 置包括电源箱、支架控制器、电磁先导阀驱动器、隔离适配器、行程传感器、压力传感 器、红外传感器及连接电缆。电源箱内部为两个电源模块，分别为4 台控制器供电；每 台控制器均配有电磁先导阀、行程传感器、压力传感器和红外传感器；控制器与控制器 之间采用点对点的连接方式，连接电缆提供电源回路及信号传输；不同电源供电的控制 器时间通过隔离适配器进行耦合。装置的构成图如图2 - 6 所示。 曰 线维{l 线缠 囝 线缆； { 线缆 上一控制H 控铜器啦H 控翻器mP q 。拄锯器州H 控翻器卜 下一控制 装置 线 缠线缆线{ 缆 线{ 缆 线| 缆 线l 缆 线 缓 线 缆 装置 f I 电源，8 1 电源，S 控制器单 圈圈圈圈圈圈圈圈 系统单元 元 l 辆离适配 撞。_ 。．I 控翻器l r 卜7 隔离适配 I 嚣 f C 币’碍n控翻器n l 控制嚣n 6 器 线} 缆线缆线’缆线f 缆线{ 缆线} 缆线{ 缆线{ 缆 圈圈图圉圈圉圈圈 图2 - 6 系统的构成图 9 华南理工大学硕十学位论文 1 ．电源 适应煤矿井下的特殊环境。向液压控制器及其配件 行程传感器、压力传感器、电 磁先导阀驱动器、隔离器、电磁先导阀 提供持续、稳定、安全的电源。并且具有稳定 性好，保护可靠，抗震，防水，安装使用方便等特点n 引。 2 ．支架控制器 支架控制器是整个装置的核心，主要实现以下功能 1 通过电磁先导阀驱动器，实现液压支架的降架、拉架、升架、推溜、拉溜、 守护帮板、收护帮板、抬底、喷水等基本动作或组合动作。 2 根据实时采集的各传感器数据，并根据数据所反映的支架工作状态控制各项 动作的启停，以及各项动作的动作时间或幅度，保证各台支架有足够的初撑力和支护效 果。 3 具备按键、指示灯、显示屏等人机接口，对支架的动作控制由按键发起。 4 与支架控制器工作状态和控制相关的各项参数可进行修改并保存，参数的保 存具有非易失性。 5 具备急停、闭锁功能。急停功能用于紧急情况时停止工作面所有液压支架的 一切动作，并阻止动作的再次发生，直到急停被解除；闭锁功能用于维护支架时停止某 台支架及其左右邻架 如果存在 的一切动作，并阻止动作的再次发生，直到闭锁被解 除。 6 工作面所有支架控制器通过点对点的实时通信组成网络，使每台支架控制器 可以获得至少其左右邻支架的各项参数信息。同时控制器将各项参数、动作状态信息传 至监控计算机，配合实现综采工作面的实时监控。 7 工作面任意一台支架控制器具备将自己的程序和参数拷贝至其他控制器的功 能，在整个功能实现过程中，不需要重新上电的操作。 8 支架控制器可以通过按键设置为控制器状态或服务器状态。工作在服务器状 态下的支架控制器本身不对液压支架进行动作控制，主要作为监控主机与工作面支架控 制器之间的接口，完成工作面网络维护、收集其它控制器的状态信息工作并发送至监控 主机等工作。工作状态的切换不需要重新上电的操作。 3 ．电磁阀驱动器 电磁阀驱动器可看作是控制器的一个附件，它连接在支架控制器与电磁先导阀之 间，连接来自控制器的电源和控制信号，执行对先导阀各单元电磁阀线圈供入电源并控 1 0 第二章系统总体设计 制其通断。 4 ．隔离适配器 电源和控制器之间需要适配器进行联接，为控制器引入电源，适配器起到隔断同一 电源两路输出的电气信号，而内部的光电耦合器为信号的传输提供通路；～个电源组与 它相邻电源组需要适配器隔离分开，隔断不同供电电源组与组之间的电气信号，且为信 号的传输提供通路。 5 ．行程传感器 行程传感器实现位移量与输出电流变化之间的线性变化的关系，用于对液压支架推 拉杆行程的检测。通过对传感器输出电流的检测，便可得出推拉杆位移量的变化。 6 ．红外传感器 红外传感器包括红外发射器和红外接收器。接收器安装在液压支架上，发射器安装 在挖煤机上，用以检测挖煤机采掘作业的工作进程并判断其具体位置。整个工作面系统 的构成图如图2 7 所示。 图2 7 工作面系统构成图 l { } i 锄电磁蹲 华南理工大学硕 学位论文 2 ．4 技术要求分析 1 安全性 本质安全型电气设备中，隔爆兼本质安全型在煤矿中应用最为普遍【1 2 , 1 3 】。设计中也 采用这种防爆型式。本质安全、防水、防爆以及隔爆材料选择。对于防爆、本质安全可 通过E M C 设计解决，防水和防护材料，可采用大功率I G B T 防护胶，该防护胶导热、 防水性能良好，另外材质较软，还可进行二次维修【1 5 】。 2 稳定性 高产高效综采要求采面生产系统具有很高的可靠性。保障支架系统控制和机械设备 可靠性的主要途径是在选择合适的煤层地质条件及保证人员素质的前提下，采用具有较 高初始可靠性的综采设备和实施有效监测。 3 控制策略 电液控制系统属于本质非线性和不确定系统，如电液伺服阀的压力一流量特性、液 压动力结构 如非对称缸 的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性；而不确定 因素则包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等【1 5 】。目前相关的控制算法主 要有P I D 控制、模糊控制和神经网络控制等，该系统采用P I D 控制。 2 。5 系统功能说明 1 单架控制 可任意选取工作面中的任何支架为操作对象对该支架进行操作，主要包括降架、升 架、起底、推遛、拉架、侧护、前探板、平衡等的单个动作或成组动作控制。 2 双向邻架控制 对选定的单个支架控制后，可对其左方或右方相邻的支架进行控制，并具有对邻架 的降架、起底、拉架、升架等一系列动作的自动顺序控制功能；支架工人可跟随采煤机 逐架顺序作业，且可保持在上风处。 3 成组控制 对工作面支架可任意编组进行成组控制；可任意选取工作面中的任何支架为操作对 象，对其左方或右方向上指定数量的支架进行成组控制，主要包括前探板打开、收起功 能，成组推镏功能和成组拉架功能。可有效地减少控制时问，提高采煤工作效率。 4 任意点操作 在任意支架的控制器上都可以选取和修改整个工作面支架的控制参数。 1 2 第二章系统总体设计 5 故障检测及报警． 在控制的过程中对被控支架的状态进行检测，为保证施工的安全性，当控制系统已 经处于运动状态中时，对其它任何控制操作不做出响应，并给出报警信息。在控制过程 中对压力、行程等传感器的值进行检测，在其不满足运动控制的要求时，做出相应的处 理，并给出报警信息。 6 急停闭锁 当对设备进行安装、调试或检修时，为确保施工安全，可使用急停功能将其阀控部 分的供电切断，并在整个支架网络中显示闭锁状态，阻止控制操作。当出现紧急状况时， 可在任意控制单元上使用急停按钮终止整个工作面的所有动作，并在整个工作面控制器 上显示急停支架号码。 7 工作面巷道控制 配备井下主控计算机，可实现根据采煤工艺要求的煤机联动自动化和其它控制功 能。 8 地面监测控制 配备地面监控主机，通过光纤或调制解调器与井下中心控制机通讯，实现地面对支 架的监测与控制。 2 ．5 本章小结 本章在分析现有的主流液压支架控制系统的基础上，对它们的系统特点进行了对 比，最后分析了煤矿安全生产的技术要求，从而提出了本控制系统的功能要求和系统组 成。 1 3 华南理工大学硕十学位论文 3 ．1 电源模块的设计 第三章系统硬件设计 为了适应不同国家与地区的用电电压标准，我们把该A C ／D C 变换器设计成为全球 A C 输入电压适用的高频开关直流稳压电源，可作为电控设备的供电使用，也可广泛的 应用于多种交流电源与低压直流电器及设备之间的电压转换领域【1 9 ，2 0 1 。高效的控制技术 及监控系统可以保证系统可靠的运行。系统的整体功能构成原理如图3 ．1 所示。 图3 ．1 电源模块构成原理图 该电源适用于全球电压输入范围 n C1 1 0 V - 2 4 0 V ，通过工频变压器后，经整流滤波， 产生D C1 6 V ～3 3 V 直流母线电压，再由同步整流B u c k 电路，变换到1 2 V ，为电控设备 提供可靠的动力。当输入直流母线电压不在正常的电压范围内时，热插拔控制器可驱动 关断外部M O S F E T ，保护后级电路工作正常；该变换器共有两级过流保护机制，分别由 热插拔控制器和同步整流B u c k 控制器实现，可以保证电源和后级设备不受到损坏。整 个电源部分具有热插拔输入过、欠压保护；输出过流保护；输出空载指示；直流母线 电压状态指示等功能，方便实用。 该电源模块共有以下几部分组成E M I 部分、浪涌抑制部分、工频变压器部分、整 流部分、热插拔控制器部分、同步整流B u c k 控制器部分。 3 ．1 ．1E 川部分 实现对共模和差模干扰的抑制，并且完成开机时的软启动和第一级的T v s 防护 【2 1 2 2 1 。为了实现对差模和共模两种干扰信号的抑制，采用如图3 ．2 的电路图。 1 4 第二章系统硬件设计 N D 图3 ．2E M I 电路图 C 1 、C 2 、C 3 、C 4 和T l 组成E M I 电源滤波。在设计上取共模电感的1 ％作为 差模电感，以节约成本，减少版面占用面积。C 1 、C 2 用来滤除共模干扰信号，C 3 、 c 4 用来滤除差模干扰信号。选取开关频率的1 ／4 作为截至频率，通常为节约成本， 选取的电感量不宜太大，这里面取电感量为2 4 0 u H ，C 1 和C 2 为4 ．7 u F 。取差模电 感量为2 ．4 u H ，C 3 和C 4 为0 ．2 2 u F 。 3 ．1 ．2 浪涌抑制部分 在实际应用中可能出现雷击浪涌电压、设备开关机时会出现瞬态浪涌电压和电 流，为了保证后级电路的安全，我们在电源模块上加上浪涌抑制电路。其原理图如 图3 ．3 所示【2 3 】。 魁 傈 护 电 路 图3 3 浪涌抑制部分电路图 该防护方案是针对A C 电源而设计，是一个分流设计保护模式，当浪涌电压过大时， 激发M O V 管R 2 导通，对输入电压进行钳制，从而保护后继电路的供电电压在安全范 围内。等离子气体过压保护器用来防止雷击等恶劣情况的发生，F l 为电熔阻丝器，额 定电流为1 ．5 A ；R 1 为热敏电阻其主要功能是防止电流幅值过大，在电流的作用下其温 1S 华南理T 大学硕士学位论文 度升高，阻值增加从而限制了电流的进一步增加，起到了开关作用。后面连接一个大功 率电容起到对瞬间电压的抑制作用，保证输入电压的稳定性。 3 ．1 ．3 工频变压器部分 实现对输入电压的降压变换，该交流电压经整流后，可使后级热插拔控制器和同步 整流B u c k 控制器工作在正常的电压范围内【1 9 】。该工频变压器主要实现A C 交流输入的 降压变换，其绕制方法如图3 ．4 所示。 孽； _ - - 2 图3 ．4 工频变压器部分电路图 该变压的设计主要根据同步整流B u c k 控制器的操作输入电压来进行计算。电压下 直流母线电压的输入电压范围在D C1 6 V - 3 3 V 之间，在输入电压为2 2 0 V 时其原副边 之间的匝比为1 0 1 ，变压器额定功率为3 0 W 。而在副边为了防止过压采用了瞬间电压 抑制稳压管，有利于保护后级电路。 3 ．1 ．4 整流部分 实现对降压后交流电的整流滤波，得到直流母线电压，供后级变换使用‘1 9 2 4 1 。整流 部分选用1 2 0 0 u F X 4 电容实现电容滤波，设计的要求是尽量减小带有负载后的压降。电 路如图3 ．5 所示。 图3 - 5 整流部分电路图 1 6 第三章系统硬件设计 为了防止交流电网上的浪涌电压、振铃电压、火花放电等这些作用时间极短，电压 幅度高、瞬态能量大的瞬间干扰信号造成的对控制系统的电源电压的波动；特别是为了 防止瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上超出系统内部器件的电压极限，损坏内部器 件情况的发生，在变压器的副边采用瞬态抑制二极管。T v S 吸收采用S M C J 6 0 C A ，其为 1 5 0 0 W 瞬态电压抑制器，反向关断电压为6 0 V t 2 5 1 。此处采用双极型T V S ，当其输入端 出现瞬间高能脉冲时，可以在极短的时间内由原来的高阻抗状态变为低阻抗状态，把电 压筘制在允许范围内，从而有效地维护系统的稳定和保护后级元器件。 3 ．1 ．5 热插拔控制器部分 为了在不切断电源的情况下实现元器件的更换，提高系统的灵活性，通过智能控制 芯片实现热插拔、开路检测、过流保护和过、欠压保护等功能，提高系统的可靠性和安 全性。此热插拔控制器部分主要功能包括热插拔、开路检测、过流保护和欠过压保护等 功能，选用L I N E A R 公司的L T 4 2 5 6 ．3 作为控制芯片‘2 6 1 。电路如图3 - 6 所示。 图3 - 6 热插拔部分电路图 该芯片内部驱动控制器可以控制一个外部扩展N 。