基于CAN总线液压支架控制系统的设计.pdf

南昌大学 硕士学位论文 基于CAN总线液压支架控制系统的设计 姓名翟清波 申请学位级别硕士 专业机械电子工程 指导教师刘国平 20080601 摘要 摘要 液压支架控制系统是实现综采工作面高产高效采煤的关键技术设备，本文 以Z Y 9 4 0 0 ／2 8 ／6 2 型掩护式液压支架为控制对象，完整的设计了液压支架控制系 统，论文主要进行了以下研究工作。 首先，液压支架控制系统整体方案设计。从控制系统的总体结构、网络通 讯和支架控制器三方面，对国际上三大主流液压支架控制系统的控制方案进行 分析，在此基础上，本文采用了基于C A N 总线的总体控制方案以P L C 作为支 架控制器，以C A N 总线作为网络通讯总线，并分析控制系统的组成。 其次，建立了液压支架控制系统的硬件系统。在对控制系统的煤矿安全要 求、系统的实时性、网络通讯总线详细分析基础之上，设计硬件结构，并对控 制系统进行外围硬件选型，最后对人机界面进行设计。 第三，液压支架控制系统软件设计。本文根据要控制的功能邻架单动、 邻架联动、成组自动、闭锁急停、4 故障诊断等，进行P L C 软件编程液压支架 控制器C A N 通讯采用主从方式，从站负责控制液压支架、数据采集及发出接受 控制命令等，主站负责轮询、收集各个从站采集的数据。 第四，液压支架控制系统上位机监控软件设计。通过组态软件实现井下液 压支架的远程实时在线综合监测与控制。 最后，按照液压支架控制系统的功能要求，对液压支架控制系统各个功能 进行离架测试和联架试验，并制定操作规程。 关键词液压支架；控制系统；实时监控；C A N 总线煤矿安全 A B S T R A C T A B S T R A C T H y d r a u l i cs u p p o r te l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi st h e k e ym i n i n g t e c h n o l o g i c a le q u i p m e n tf o rf u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c et oa c h i e v eh i g hy i e l da n d h i g he f f i c i e n c yi na u t o m a t i o n ，T h i sp a p e rt a k e st h eZ Y 9 4 0 0 ／2 8 ／6 2t y p es h i e l d i n g h y d r a u l i cs u p p o r ta st h ec o n t r o l l e dm e m b e r , c o m p l e t et h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rh a sm a i n l yc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ． F i r s t ，t h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sd e s i g n e d ．F r o mt h e o v e r a l ls t r u c t u r eo fc o n t r o l s y s t e m s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s a n d s u p p o r t c o n t r o l l e ri nt h r e e a r e a s ，c a r r i e so nt h ea n a l y s i st o i n t e r n a t i o n a l l yt h r e eb i g m a i n s t r e a mh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e mc o n t r o l p l a n ，t h i sp a p e ra d o p t st h e w h o l ec o n t r o ls c h e m eb a s e do nC A Nb u s ，a n dg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h e c o m p o s i t i o no fi t sc o n t r o ls y s t e m ． S e c o n d ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h eh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e s y s t e m ．O nm eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so fc o n t r o ls y s t e m si nac o a lm i n es a f e t y r e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e m ’Sr e a l t i m ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sb u s ，d e t e r m i n et h e s t r u c t u r eo fh a r d w a r e ，a n ds e l e c tt h ee x t e r n a lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e ，F i n a l l y , d e s i g n t h eh u m a n - c o m p u t e r i n t e r ．f a c e ． T h i r d ，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 ms o f t w a r ed e s i g n ．B a s e do nt h en e e dt o c o n t r o lt h ef u n c t i o n s s i n g l ef u n c t i o n s ，s e q u e n c ef u n c t i o n s ，t h eg r o u pa u t o m a t i c a l l y f u n c t i o n s ，e m e r g e n c ys h u t d o w na n dl o c kf u n c t i o n s ，f a u l td i a g n o s i s ，d e s i g nt h eP L C s o f t w a r ep r o g r a m T h eh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o l l e rC A Nc o m m u n i c a t i o na d o p t st h e w a yo fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t e ，t h es u b s t a t i o ni Sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o n t r o lo f h y d r a u l i cs u p p o r t ，d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lo r d e r s i s s u e da n dr e c e i v e d ，m a i n s t a t i o ni sr e s p o n s i b l ef o ri n q u i r i n gs t a t i o no n eb yo n e ，t oc o l l e c ta l lt h ed a t ac o l l e c t e d f r o mt h es u b s t a t i o n F o u r t h ，t h eh y d r a u l i cs u p p o r tP Cm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ．V i a c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h er e a l - t i m er e m o t em o n i t o r i n go ft h eu n d e r g r o u n dh y d r a u l i c s u p p o r ti st ob er e a l i z e d ． F i n a l l y , a c c o r d i n gt oh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o n sr e q u e s t ，c a r r i e s I I A B S T R A C T o nt oh y d r a u l i cs u p p o r tc o n t r o ls y s t e me a c hf u n c t i o nt oat e s ta n du n i t e sa n e x p e r i m e n t ，a n dh a sf o r m u l a t e dt h ew o r k i n gi n s t r u c t i o n ． K e yW o r d s h y d r a u l i cp o w e r e ds u p p o r t ；c o n t r o ls y s t e m ；r e a l t i m em o n i t o r i n g ； C A Nb u s ；m i n es a f e t y l I I 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位敝储签名 手瓢翟臻诒签字日期 舯 铜知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ． 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名勰硒 导师签名 知1 砚彳 签字日期 以年6 月沪日 签字日期呕年∥月／矿E l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 引言 液压支架是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，分散布置在整个采煤 工作面上，液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和液压系统以及控制系 统组成。它能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，可与大功率采煤机、大运 量的可弯曲刮板运输机组成回采工作面的综合机械化设备。液压支架具有支护 性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点，可以增加采煤产量、提高劳 动生产率、降低开采成本、减轻工人的劳动强度和保证生产安全等【1 - 2 3 】。 液压支架控制系统是以网络技术为基础，以电子控制为核心，实现采煤机 位置检测和液压支架跟随采煤机行进的移架自动控制的自动控制系统，同时， 可以实现工作面设备的监测监控综合管理【2 3 , 2 4 1 。 1 ．2 国外支架电液控制系统发展概况 在2 0 世纪5 0 年代，英国将液压支架的遥控技术列入研究计划，7 0 年代中 期，英国煤炭局提出研制电子控制液压支架。1 9 8 1 年，澳大利亚的科里曼尔煤 矿最先将电子控制的液压支架用于长壁综采工作面。1 9 8 3 年底，英国原道梯公 司为美国坎赛尔煤矿制造了两按钮式微处理机控制的液压支架，于1 9 8 4 年投产。 1 9 8 3 年3 月，英国原伽立克公司研制的“E L E C T R O F L E X “ 电液控制系统在 “H e m H e a t h “ 投入试验。1 9 8 5 年底英国原道梯公司又研制出第二代全工作面集 中电液控制系统，该系统的主控制台及电源均布置在工作面运输巷内，可实现 全工作面集中控制。德国8 0 年代初开始大力发展液压支架电液控制系统。威斯 特伐利亚公司与西门子公司于1 9 7 8 “ - 1 9 8 4 年间合作研制出德国第一套支架电子 控制装置- - P a n e r m a t i c 2 E 系统。1 9 8 6 年又研制出P a n e r 2 - - m a t i c 2 S 5 支架电控系 统。1 9 8 7 年威斯特伐利亚公司与M A R C O 公司合作研制出P M 2 电液控制系统， 1 9 9 0 年又研制出更为先进的P M 3 支架电液控制系统，技术上已相当可靠，在全 世界得到广泛推广应用。 9 0 年代，随着电子技术的迅猛发展，特别是嵌入式系统的发展，涌现出多 种新型材料，使电液控制技术水平进一步提高，这时电液控制系统技术已经成 第1 章绪论 熟，并逐步形成3 种结构形式支架控制单元的电液控制系统，第一种结构形式 的支架控制单元是由支架控制器、电磁驱动器和传感器等组成，第二种结构形 式的支架控制单元是由支架控制器、人机界面、驱动器和传感器等组成，第三 种结构形式的支架控制单元是由支架控制器和传感器等组成，3 种结构特点的电 液控制系统并存发展，其中第一种结构特点的电液控制系统是我国支架电液控 制的主流产品，市场占有率在8 5 ％以上。这个时期的电液控制系统基本采用嵌 入式操作系统，具有速度高、容量大、集成度高，并内嵌操作系统，具有良好 的性能。到了9 0 年代后期威斯特伐利亚公司自行改进推出P M 4 系统，而M A R C O 公司改进推出P M 3 1 系统【2 1 , 2 4 - 2 8 】。 除此之外，日本三井三池株式会社、英国原米柯公司、德国原赫姆夏特公 司 现合并为D B T 公司 、波兰E M A G 以及法国、俄罗斯等国家也都先后研制成 功支架电液控制系统，并推广使用。早在1 9 8 4 年，美国在西弗吉尼亚州拉弗里 吉煤矿装备了第一个使用原英国道梯公司制造的装有电液控制系统的液压支架 的高产高效工作面，并取得成功。 目前，液压支架电液控制系统技术已得到了快速的发展，其控制功能不断 扩大，电液控制阀组已由原来的电磁先导阀控制主阀组的电液控制系统，改进 为微型电机电液控制系统，大大加快了移架速度。同时，目前的控制系统对工 作面条件的适应能力不断增强，可靠性也得到大幅度提高。目前，国外液压支 架电液控制技术已发展到相当成熟的阶段，美国、澳大利亚、南非等国家的煤 矿新装备的综采工作面几乎全部采用电液控制的液压支架【2 9 1 。 1 ．3 国内支架电液控制系统发展概况 我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，自8 0 年代中期才开始研制液压 支架电液控制系统。1 9 9 1 年北京煤机厂研制出第一套B M J 2I 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 2I I 型支架电液控制系统 2 0 架 ，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，但从此即被撂置一边。郑州煤机厂1 9 9 1 年5 月研制出D Y Z K 2I 型支架电液控制系统，于1 9 9 2 年5 月在大同四台矿完 成2 0 架井下工业性试验，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 2I 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，从此D Y Z K 2 型支架电液控制系统停止研发。国家为上述两厂支架电液控制 2 第1 章绪论 系统科研项目投入的经费近3 0 0 万元，却未能得到推广。煤科总院太原分院研 制的Y L T 型支架电液控制系统，于1 9 9 6 年在大同矿务局马脊梁矿进行了国内第 一个全套工作面井下工业性试验，并于1 9 9 7 年7 月通过鉴定，又于1 9 9 8 年在 东胜补连塔煤矿进行了1 6 架试验，现已撤出。国家和协作单位先后为该项目投 入科研经费达5 0 0 多万元【2 l ，2 4 , 2 6 - 3 1 1 。 由此看出，我国液压支架电液控制系统研制已经历了十几年时间，至今仍 未得到推广。许多高产高效工作面所用电液控制系统液压支架还需从国外进口。 从我国已研制出的支架电液控制系统来看，也还处于单架和成组程序控制的初 步阶段，而液压支架与采煤机、输送机联动的全工作面自动化控制还处在探讨 研制阶段，但随着我国科技水平的不断提高，我国液压支架电液控制技术会逐 渐趋于成熟并在井下得到推广使用【2 l J 。 1 ．4 本课题主要研究内容 本课题是在全面分析比较国际主流液压支架电液控制系统控制方案的基础 上，以Z Y 9 4 0 0 ／2 8 ／6 2 型掩护式液压支架本体为控制对象，开发出以C A N 总线 为网络通讯总线，以P L C 为控制器的液压支架控制系统。关键是解决液压支架 各种动作问题，围绕这一主题，所开展的工作如下 1 、液压支架控制系统整体方案设计。在对国际上三大主流液压支架控制系 统控制方案进行分析的基础上，确定以P L C 为控制器的整体控制方案。围绕整 体方案，定制符合煤矿安全要求的P L C ，对推移千斤顶行程传感器、立柱压力 传感器，采煤机位置检测红外传感器、人机界面、电源箱等外围硬件进行选型。 2 、液压支架控制系统软件设计。液压支架控制系统为主从方式，对C A N 应用层协议进行设计，着重解决了液压支架控制器之间的C A N 通讯，并分别对 其主站和从站进行软件设计，实现了邻架单动作控制、邻架联动控制、成组控 制、自动补压、声光故障报警、信息查询等功能。 3 、液压支架控制系统上位机监控软件设计。采用国内使用广泛的工业控制 组态软件组态王6 ．5 1 ，开发出本液压支架的上位机组态程序，实现了上位机对 综采工作面各个液压支架工作状态和错误报警的实时监测控制。 4 、液压支架控制系统的测试及实验。按照液压支架控制系统的功能要求， 对液压支架控制系统各个功能进行离架测试和联架试验，并制定了操作规程。 3 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 2 ．1 引言 液压支架是综合机械化采煤装备的关键设备，与滚筒采煤机、刮板输送机、 装 转 载机等配套使用，可以实现采煤综合机械化，其综采工作面采煤方式如图 2 ．1 所示。 图2 ．1 综采工作面采煤示意图 囫煤层 仁鲁{ 刮板输送机 H 滚筒采煤机 O 装载机 l 运输带 口{ 夜压支架 综采工作面采煤工作原理一个长壁采煤机的两个机械刨头被分别布置在 工作面巷道内，用无级链的牵引方式拖动，采煤机沿直线导轨在工作面作往复 刨煤运动，刨刀以给定的刨削深度将煤从煤壁上刨落下来，通过刨头的犁形斜 面将刨落下来的煤装入输送机，然后由输送机将煤运出工作面。液压支架用来 支撑煤层，保护采煤机，并推动溜子使采煤机前进【3 2 1 。 液压支架能够是有效地支撑和控制工作面顶板，保证工人操作和机器运转 所必须的安全工作空间；随着工作面推进而实现推移工序的机械化，并提供足 够的通风断面。在回采工程中，为了防止顶板早落，维持一个不定期的工作空 间，保证工人安全和各种作业的正常工作，必须对顶板进行支护。而液压支架 能够可靠有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入工作面， 并能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，为工作面产量和效率 迅速提高奠定基础【2 2 盈，3 3 川】。液压支架支护如图2 ．2 所示。 4 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 瓣 ～歹一穗茧黎裁 j 经．垒壅．。3 图2 ．2 液压支架支护示意图 电液压支架控制系统是目前液压支架最高效的控制方式，是集机械、液压、 电子、计算机和通讯网络等技术于一身，技术含量高、技术难度大，是应用于 煤矿井下的一项新技术产品【3 8 ‘4 0 】。 2 ．2 主流液压支架控制系统的比较 当前国际上主流的液压支架电液控制系统在中国应用广泛的有德国 M A R C O 玛珂 公司的P M 3 1 、德国D B T 公司的P M 4 和德国E E P 公司的 P r am a t i c [ 4 ，现从液压支架控制系统的总体结构、网络通讯总线和支架控制器 三方面进行比较分析。 2 ．2 ．1 主流液压支架控制系统总体结构比较 1 、德国玛珂P M 3 1 液压支架控制系统的总体结构 玛珂公司的P M 3 1 液压支架电液控制系统总体结构【4 2 】，如图2 ．3 所示。 ⑤ c 最瓣獭黝 。最瓣獭器，芝磊蒜篓凇。燃， 。 图2 ．3P M 31 电液控制系统总体结构框图 图中标号说明①支架控制器②隔离耦合器③双路电源箱④总线提升器⑤网络终端器 5 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 P M 3 1 每一支架内的单元系统以一台支架控制器为核心，包括作为控制器扩 展的一个电磁阀驱动器，作为控制器外围设备的两个传感器和一套电液阀组。 一个压力传感器测量立柱下腔液压力，一个行程传感器测量推移千斤顶的行程。 电液阀组是控制系统的执行部件，一个单元有两个主控阀、与之对应的两个先 导阀和两个电磁线圈。同一单元的两个主控阀用来分别控制同一液压缸的伸和 缩。阀组集成的单元数取决于被控对象的数量。 工作面的支架控制器因供电关系而被分组，相邻的最多6 ～7 个控制器由一 路独立的电源供电，成为一个控制器组。分组的标志是组与组之间都接入一个 隔离耦合器。此外隔离耦合器为电源引入提供通道。 所有支架控制器靠干线电缆互联成网络。干线电缆从端头架控制器开始顺 序将全部支架控制器联接起来 在组分界点经隔离耦合器中介 。系统中的网络 终端器、总线提升器均为保证系统正常工作所必须的辅助装置。 2 、D B T 液压支架控制系统的总体结构 P M 4 电液控制系统的井下主控控制台 M C U 安装在工作面运输巷，可采 集和显示全工作面的支架数据和采煤机位置信号，综采工作面每架装有支架控 制器 S C U ，S C U 中的微处理机可控制电液控制阀组，实现支架的各种动作 【4 3 4 5 】，其总体结构如图2 ．4 所示。 图2 ．4D B T 液压支架控制系统总体结构框图 图中符号说明S C U 支架电液控制器P M 4 D B T 液压支架电液控制系统主要有地面中央控制室、井下主控台、P M 4 服 6 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 务器、支架控制器、传感器、隔离适配器、电源适配器、电源等组成。 3 、E E P 液压支架控制系统的总体结构 德国E E P 公司的P r am a t i c 液压支架控制系统的总体结构【蛔，如图2 ．5 所示。 图2 ．5E E P 液压支架控制系统总体结构框图 图中符号说明 S C U S i n g l eC o n t r o lU n i t 单个支架控制器P S P o w e rS u p p l y 本安型电源 V Z S e r v e rU n i t 服务器装置P C 地面工作室 E E P 液压支架控制系统P r am a t i c 主要有地面工作室、液压支架服务器装置 V Z 、液压支架控制器 S C U 、传感器、电源等组成。 由以上比较可以得出总结 玛珂的P M 3 1 和D B T 的P M 4 都有隔离耦合器，隔断了组与组间的电气联接 而又通过光电耦合沟通数据信号，这种方式是为达到本质安全性能所采取的措 施。 玛珂的P M 3 1 有总线提升器，可以放大总线的信号，延长总线的传输距离。 主流控制器的电源都是采用了本安型电源箱，每个电源箱供几个支架控制 器。 2 ．2 ．2 主流液压支架控制系统网络通讯总线的比较 1 、德国玛珂的P M 3 1 网络通讯总线 P M 3 1 的架间通讯采用B I D IB u s ，全工作面的互联则采用TB u s ，速率均为 1 9 ．2 K b p s 。如果没有工作面计算机系统就不能进行跟机自动操作，但可以进行邻 架手动单动作操作和邻架自动移架等自动操作【2 7 】。 2 、德国D B T 的P M 4 网络通讯总线 P M 4 的架间通过速率为5 6 K 的B I D IB u s 互联成综采面网络。这种方式的缺 点在于，一旦控制器不能正常工作，将导致控制系统通讯的中断。如果没有工 7 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 作面计算机系统就不能进行跟机自动操作，但可以进行双向邻架手动单一动作 操作、成组控制、成组推移、组合功能等操作∥7 1 。 3 、德国E E P 的P r am a t i c 网络通讯总线 P r am a t i c 的中央和支架间采用的是速率为3 8 ．4 k p s 总线，全工作面则采用是 P R O F I B U S 总线，总线速率为9 3 ．7 5 k b p s [ 4 6 1 。 同上比较可以得出总结 P M 4 与P M 3 1 都采用总线的方式进行通讯，是私有总线，但都不是开放的 标准的现场总线。P r am a t i e 是采用的是P R O F I B U S 现场总线。通过对3 种控制 器的剖析发现，除了E E P 公司因为是最近几年才发展的，采用的是P R O F I B U S ， 其它二家它们的技术思路形成较早，且产品一直延续着早期形成的思路。而现 场总线的提出相对较晚。与现场总线方式相比，早期的技术思路存在着如下几 点缺陷实现复杂，需要消耗较多的系统资源；没有提供可靠高效的通讯协议， 数据的错误检测和出错重发完全靠用户编制的软件实现，网络的错误处理能力 不强。为了保证通讯的准确性和系统运行的可靠性，就必须编制完善的调度程 序和通信协议，这就增加了系统开发的难度和开发周期。采用现场总线技术则 可较好的解决上述问题【4 7 】。 2 ．2 ．3 主流液压支架控制系统支架控制器的比较 1 、P M 3 1 支架控制器 P M 3 1 支架控制器实际上是一台微型的专用控制计算机。微处理器6 4 1 8 0 ， 存储器容量E P R O M3 2 K ，R A M9 6 K ，软件包括系统程序和应用程序。应用程序 的删除和装载可在工作面以简便方式进行，这为应用程序的修改和控制功能的 调整提供了方便，从而增强系统的适应性。控制器有完备的人机交互界面，设 有2 5 个操作键，闭锁急停键钮，1 6 字的L E D 点阵式字符显示屏，各种功能的 L E D 发光管信号显示以及蜂鸣器。这些设施保证了操作者方便地进行控制操作 或设置并及时获得系统的提示及状态信息。控制器有足够的各种类型的输入口、 输出口及通信口，它们的电缆插座都分布在控制器后面，共1 2 个[ 4 2 1 。 2 、D B T 支架控制器 P M 4 电液控制器配备了有显示屏幕和2 5 键的键盘，相对地简化了目前液压 支架所需的全部功能的操作。为显示检测数据，设计了字母数字 1 6 字符 大 型电子显示器。从软件菜单上选择和改变参数、显示错误信息和闭锁功能的动 8 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 作。在相邻2 3 台支架范围内，可以对所需的少数功能进行邻架控制。其电子 硬件部分使用了一个单片处理机具有6 4 K 存储应用程序【4 3 】。 3 、E E P 支架控制器 支架控制器分为中央报务器和单支架控制器。每个单个控制器有最多可以 有1 6 个输出，用于驱动电磁阀。在工作面端头，控制器被连接到服务器装置 V Z 上。服务器装置被用于井下设定参数并且监视单个控制器。它有一个P R O F I B U S 接V I ，用于与主要控制设备进行通信，比如井下计算机或地面控制室1 4 6 1 。 由以上比较可以得出总结 三家支架控制器的核心均采用了单片机处理器，其电路设计符合煤矿安全 标准。 在外壳上，玛珂P M 3 1 控制器外壳是工程塑料模注而成，小巧轻便易于更换； D B T 的P M 4 控制器外壳是整体不锈钢，密封性好，防护性能良好；E E P 的 P r am a t i c 控制器外壳是比较厚的钢板封性好，防护性能良好。 在显示上，玛珂P M 3 1 和D B T 的P M 4 采用的是1 6 字符的L E D 显示屏，E E P 的P r am a t i c 采用的是1 6 字符的L C D 显示屏。 2 ．3 液压支架控制系统主要技术要求 本文的液压支架控制系统主要技术要求分为支架功能技术要求、上位机 技术要求和人机界面技术要求三方面。 1 、压支架控制系统功能要求如下 1 控制八个油缸推移千斤顶、立柱、平衡千斤顶、一二级护帮板、抬底 座、侧护板和伸缩梁的伸缩动作； 2 实现邻架单动作控制； 3 实现邻架联动控制； 4 实现成组自动控制； 5 实现支柱在工作中发生卸载时的自动补压功能； 6 实现闭锁及急停功能； 7 实现故障报警信息。 2 、液压支架控制系统上位机技术要求如下 1 监视综采工作面各个液压支架推移千斤顶的行程值、立柱压力值及采煤 9 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 机在综采工作面中的位置； 2 1 监视综采工作面各个液压支架状态及错误信息； 3 1 设置综采工作面液压支架的参数。 3 、液压支架控制系统人机界面技术要求如下 1 按键操作液压支架动作； 2 显示出液压支架相应的动作信息； 3 显示液压支架推移千斤顶的行程值、立柱压力值及采煤机在综采工作面 中的位置； 4 显示液压支架状态及错误信息。 2 ．4 液压支架控制系统整体设计 2 ．4 ．1 液压支架控制系统的总体结构 本课题经过大量的调研和分析，比较参考国际上主流的控制器玛珂、E E P 、 D B T 等公司的液压支架控制系统，设计出如图2 ．6 所示的整体控制方案。 整个系统中单元的数量由工作面长度所决定，多的可达2 0 0 多个。液压控 制系统采用主从控制方式，以C A N 现场总线作为通信总线。每四台液压支架分 配一个电源箱，地面工作室通过以太网与支架控制器主站进行通讯。 地面 控制室 C A N 总线Ic A N 中继器 支架控制I1 支架控制器I1 支架控制器l1 支架控制器 器主站l 从站l 从站2 ⋯⋯ I 从站、一1 躯稚非 图2 ．6 基于C A N 总线的支架电液控制系统总体结构简图 1 0 支架控制器 从站、 躯 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 2 ．4 ．2 液压支架控制系统的重要组成 本课题设计的系统由支架控制器 主站和从站 、液压系统、压力和位移传 感器、液压支架等组成。支架控制器主站和所有的支架控制器从站通过C A N 现 场总线进行互联，构成了综采工作面液压支架控制系统【4 羽。 l 、支架控制器 电液控制器是控制系统的“心脏“ ，它由微处理机、信息传输单元、操作键 盘和数据接收装置等组成。电液控制器有两方面的功能一方面是按照操作指 令和预定程序完成电磁阀组的启闭，进而控制支架立柱、千斤顶的动作；另一 方面它又接收支架上测得的状态数据 包括压力、位移等 并加以分析判断，进而 控制支架的动作，并显示出支架状态参数和支架故障。 2 、地面控制室 地面控制室通过以太网与支架控制器主站通讯，监视综采工作面的运行情 况，并对采煤的规律进行分析和研究。 3 、压力传感器 压力传感器检测支架立柱缸内的液压力，插入支柱测压孔中实时监视支架 的支护状态，向系统提供控制过程的重要参数。传感器的测量范围0 “ - 4 5 M P a ， 传感元件为电阻应变桥路，传感器内带温度补偿的低漂移放大器。 4 、行程传感器 行程传感器用来检测千斤顶的活塞杆的移动行程值，行程值代表的是支架 或溜子所处的位置，是控制过程的重要依据，推移千斤顶活塞杆位置决定推溜 移架的进程。 5 、红外传感器 红外传感器用来检测采煤机的位置，然后液压支架控制系统根据获得的位 置信息，发出相应地控制指令，实现自动推溜、拉架等等的控制，以实现采煤 机的跟机自动化。 6 、电源箱 电源箱是电液控制系统专用的电源变换装置，它从工作面受入9 0 V - - 2 5 0 V 交流电源，变换成直流1 2 V ，向系统供电。每路电源都具有截止式过流保护。 7 、C A N 中继器 当液压支架超过1 1 0 台时，需采用C A N 中继器，以增加C A N 的通讯质量。 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 2 ．5 本章小结 本章从液压支架控制系统的总体结构、网络通讯总线、支架控制器三方面， 分析比较国际上主流液压支架控制系统。在此基础上，结合液压支架电液控制 系统的实际要求，设计系统的总体结构，并分析了系统的重要组成。 1 2 第3 章液压支架控制系统硬件集成 第3 章液压支架控制系统硬件集成 3 ．1 引言 煤矿生产是与国计民生密切相关的一个领域，其中，煤矿安全是煤矿生产 的前提。煤矿安全问题不仅影响到社会经济，更关系到每个矿业人员的生命安 全。所以液压支架控制系统须满足煤安标准，而且系统须有一定的实时性。 下面从煤矿安全要求、网络通讯和系统的实时性三方面对液压支架控制系 统进行分析。在此基础上，结合国际主流液压支架控制系统硬件方案，设计硬 件结构，并对外围硬件进行选型。 3 ．2 液压支架控制系统煤矿安全要求 3 ．2 ．1 煤矿标准 煤矿是个容易发生爆炸的危险场所。危险场所的危险性划分[ 4 9 。5 2 1 如表3 ．1 所 示。 表3 ．1 危险场所危险性 中国北美 爆炸性物质区域定义 标准 标准 在正常情况下，爆炸性气体混合物连续或长时间存在的 0 区 场所 D i v ．1 气体 C L A S SI 在正常情况下爆炸性气体混合物有可能出现的场所 l 区 在正常情况下爆炸性气体混合物不可能出现，仅仅在不 2 区 D i v ．2 正常情况下，偶尔或短时间出现的场所 在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物 l O D i v ．1 粉尘或纤维 可能连续，短时间频繁地出现或长时间存在的场所 区 C L A S S I I ／I I I 在正常情况下，爆炸性粉尘或可燃纤维与空气的混合物 l l 不能出现，仅仅在不正常情况下，偶尔或短时间出现的 区 D i V ．2 场所 煤矿的爆炸物质主要是气体，属于I 型的0 区或1 区、2 区。 针对表3 ．1 中的危险场所，能够采取的防爆方法【例如表3 ．2 所示。 1 3 第3 章液压支架控制系统硬件集成 表3 ．2 防爆方法 序号 防爆型式代号国家标准防爆措施适用区域 l 隔爆型 dG B 3 8 3