（机械电子工程专业论文）基于双can总线液压支架监控系统的设计.pdf

摘要 摘要 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，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。然而由于支架节点数量众多和煤矿的特殊环境，使得液压支架 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，本文应用 双c a n 总线设计了一套液压支架控制系统，一路c a n 运用于液压支架控制系 统中，另一路c a n 运用于液压支架控制系统上位机监控系统之中。 本文首先对监控对象液压支架控制系统的总体结构、技术要求和硬件组成进 行详细的阐述，然后对液压支架的工作状态进行分析并设置相关参数，同时对 下位机控制器的主要器件选型并进行相关的软件任务设计。 然后在对监控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c a n 总线硬件接口电路，并对上位机通信的过程详细分析之 后设计了上位机通信任务。 其次在对组态王的基本功能和特点进行深入的介绍后，对上位机监控软件的 总体进行设计，在此基础上进行了界面开发和监控模块设计，并对采集的数据 处理和存储。 最后为了验证双c a n 总线设计方案的可行性，搭建试验平台并进行上位机 轮询时c a n 总线的数据分析，并对监控软件进行了模拟调试，最后对课题的研 究工作进行了总结与展望。 关键词：液压支架；监控系统；组态王；双c a n 总线：煤矿安全；实时监控 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 ti so n eo ft h em a i ne q m p m e u to ft h em i n i n gt e c h n o l o g i c a l e 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 ew h i c hd i s p e r s e di nt h em e c h a n i z e dc o a l f a c e ，i tc a nb ec o m p o s e do ft h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z a t i o ne q u i p m e n tw i mt h eu s e o fh i g h - - p o w e rs h e a r e ra n d h i g h - p o w e rt r a n s p o r tm a c h i n e r y b u tf o r t h el a r g en u m b e r o fh y d r a u l i cs u p p o r tn o d e sa n dt h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e so fc o a lm i n e ，i tm a k et h e d i s c u s s i o no ft h ea u t o m a t i o na n dc o n t r o lf o re n t i r ef a c eo ft h eu s eo fh y d r a u l i c s u p p o r t 、h i g h p o w e rs h e a r e ra n dh i g h - p o w e rt r a n s p o r tm a c h i n e r ys t i l li nd e v e l o p m e n t s t a g e t h i sp a p e rt a k e st h ed o u b l ec a nb u s ，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 mw h i c hi n c l u d i n go n ec a n - b u sw a sa p p l i e di nh y d r a u l i cs u p p o r t e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e ma n da n o t h e rw a sa p p l i e di nh y d r a u l i cs u p p o r t r e a l - t i m ep cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef o r m e r t h i sp a p e rf i r s ta s k e dt oc o n d u c ti n d e p t hu n d e r s t a n d i n go ft h eo v e r a l ls t r u c t u r e ， t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n dm a i ns t r u c t u r eo fh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e m s ，t h e no nt h e b a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so ft h ew o r k i n gc o n d i t i o no fs u p p o r t ，a l s os e tt h er e l e v a n t p a r a m e t e r s ，a n ds e l e c tt h em a i nh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n e dt h es o t h v a r e o ft h ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d , o nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i so fp cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi n ac o a lm i n es a f e t yr e q u i r e m e u 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 s b u s ，d e t e r m i n et h ei n t e r f a c ec i r c u i to fc a n - b u s ，a l s oo nt h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y s i s o ft h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s so fp c ，d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o nt a s ko fp c m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m t h i r d ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h eb a s i cf u n c t i o n sa n df e a t u r e so ft h e k i n g v i e w ，d e s i g n e dt h eo v e r a l ls o f t w a r eo fp cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ， d e v e l o p e dt h es o f t w a r ei n t e r f a c ea l s od e s i g n e dt h em o n i t o r i n gm o d u l e f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g no fd o u b l ec a nb u s ，m a k e t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ms t r u c t u r e sa n da n a l y s i st h ed a t aw h e np cq u e r yt h ec a n b u sn o d e so n eb yo n e ，s i m u l a t i o nd e b u gt h es o t h v a r eo fp cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , i ts u m m a r i z e da n dp r o s p e c t e dt h er e s e a r c ht o p i c so fr e a l - t i m ep c u a b s t r a c t m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 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 ；p cm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m ；d o u b l ec a n b u s ；k i n g v i e w ；m i n es a f e t y ；r e a l t i m em o n i t o r i n g i 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，也不包含为获得南昌大学或其他教育 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。 学位论文作者签名( 手写) 球眦签字日期： 沙c 7 年月7 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。本人授权南昌丕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)、 学位论文作抛c ：嫩 翩签名c 掏：硼固平 签扣期：州年否月( 日 签字吼坪月今日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，2 0 0 7 年全国原煤产量达2 5 2 3 亿吨，比上年增长9 9 ，比年2 0 0 2 增长7 8 3 ，5 年内净增1 1 0 8 亿吨，这在 中国和世界煤炭工业史上都是空前的，煤炭作为主要能源的格局在今后5 0 年内 不会改变。但长期以来，煤矿安全状况一直是制约煤炭工业发展的重要因素。 特别是进入上世纪9 0 年代以来，世界主要采煤国家的煤矿安全状况己得到根本 好转，尤其是美国和澳大利亚煤炭工业事故伤亡率己低于其他工业行业，成为 最安全的行业。相比较而言，我国煤矿总体安全水平不仅远落后于工业发达国 家，且落后于不少发展中国家。据统计资料，2 0 0 2 年，美国煤矿产商品煤1 3 6 8 亿吨，事故死亡人数为3 6 人；而我国产煤1 4 1 5 亿吨，事故死亡人数高达6 5 9 7 人，是美国的1 8 3 倍。到2 0 0 7 年，中国煤产量占世界的3 9 ，而煤矿事故死亡 人数占世界的8 0 以上，煤矿事故死亡率为美国的1 1 4 倍。 从总体上看，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故时有发生， 煤矿安全生产隐患依然存在。除去人为因素，分析我国煤矿事故频发的客观原 因，主要存在以下三点【l 捌： 1 煤层赋存条件差，瓦斯灾害严重。开采强度的不断增强，煤与瓦斯突出的 危险性也在不断增加，突出危险区域也在不断扩大。 2 地下水防治难度增大。近年来，随着煤矿开发生产的深度不断加大，水害 产生的条件、水害威胁的程度以及水害形成的机理都在发生着较大的变化，对 分析并下突水的水源、导水通道和补给强度造成很大困难，从而增加了水害治 理的难度。 3 采、掘、机、运、通各大系统新技术与新设备开发相对滞后。大多数新技 术与新设备处在摸索阶段，尚不成熟、不稳定。特别是井下设备监控系统的发 展更是缓慢，无法适应越来越复杂的开采环境。在煤炭安全生产作业中，顶板 的防护由过去的立木支柱换代成液压支架，对安全保障有了更进一步的提高， 但液压支架在起到负载作用时，由于没有相应的监测系统，对于液压支架的运 行状况浑然不知，虽有安全阀装置，但是无法显示液压支架的工作状态，而生 第1 章绪论 产作业中顶板会下沉、剥落、塌方，有时因压力太大，将安全阀顶开，液压支 架回落，造成人员伤亡，机械损坏等事故【3 4 1 。 本课题的任务就是实现对矿用液压支架的安全监测。矿用液压支架是综采 工作面的重要设备，它为采煤作业提供安全的工作空间，防止顶板上面的岩石 掉落危及人身和设备安全1 5 ，6 】。矿用液压支架的支护状态立柱压力值、支架动作 状态、采煤机位置和推移千斤项行程等参数值来表示，这些参数能及时反应采 煤作业过程中顶板压力和设备自身状态的动态变化0 1 。本课题研究开发了用于 实时监测以上这些参数的矿用液压支架数据采集与预警系统，工作内容主要包 括井下数据采集的软硬件设计、上位机通信网络设计和综采工作面的监控软件 设计，从理论上实现了系统的短期预警功能【卜6 】。 1 2 矿用液压支架监测系统的研究现状及不足 目前我国矿用液压支架监测系统从实现的技术上主要分为三类【l l - 1 2 1 。 第一类是人工综采工作面矿用支架压力记录采集系统。它在系统的末端连接 有压力传感器，通过三通接头和液压管路与支架立柱相连，测量立柱下腔压力， 记录仪每隔一定时间一记录一次压力数据。这种监测方法需要观测人员携带专 用采集仪下井收集数据后，再上井传入电脑，通过专用软件处理支架压力数据， 可以较准确地判断工作面来压步距、分析支架的适应性以及液压支架压力显现 特征【l 引。这是一种比较落后的监测方法，工作人员必须到工作面进行观测和采 集数据，数据实时性和准确性较差，不能够及时反应液压支架当前压力的变化 情况，而且降低了生产效率，提高了生产成本。 第二类是基于无线传输的井下压力监测系统。它们采用无线数据传输技术， 嵌入无线射频模块，用来采集煤矿井下矿用液压支架的压力数据。无线压力监 测系统主机一般安装在综采工作面液压支架上，连接高压胶管，代替传统的一 记录仪，系统主机与从机之间以无线方式通信 1 4 - 1 6 】。 该类系统一般由主机、从机、地面计算机等几部分组成。主机安装在液压支 架上，内置压力传感器，传感器连接支架前、后柱的高压胶管，通过测量油压 得到支架压力值。主机间隔一定时间记录次数据并进行存储，通过这种方式可 以精确地测量支架降、移和升架过程中压力值的变化。从机一般是便携式仪器， 定期带到井下采集主机存储的压力数据。主机和从机分别嵌入无线数据传输模 2 第1 章绪论 块，从机采集数据完毕后带到地面输入计算机进行分析处理【1 4 d 6 】。 该类系统的特点是采用了先进的无线传输技术，不可避免的就存在传输速度 慢、通信带宽小、容易产生干扰等缺点。而煤矿安全设备的基本要求就是系统 的可靠性要高，所以无线传输技术并不适合用于井下系统。除此以外，这类系 统的从机还是需要技术人员带到井下工作面采集数据，效率不高，实时性不强。 第三类也是最常见的一类系统是基于组态软件的液压支架压力远程监测系 统。该类系统一般由嵌入式中心分站数据采集系统、总线通信系统和上位机等 构成硬件设备，采用工业组态软件开发监控系统软件，实现了液压支架压力的 参数记录、实时监控、报警报表、事件查询、趋势曲线显示等功能【1 7 1 9 1 。 该类系统虽然实现了对矿用液压支架的在线实时监测，但也存在着测量参数 单一、通信系统可靠性较低等缺点。在液压支架的状态监测中，压力和支架倾 斜角度是两个非常重要的参数，缺一不可，该类系统仅仅测量了压力值，监测 不够全面，容易出现误差。并且，该类系统采用的一总线虽然具有结构简单、 抗干扰能力强、传输距离远、成本低等优点，但在构建井下设备监测这种大型 复杂工业现场的实时监控网络时，设计方案必须保证通信系统具有良好的可靠 性、抗干扰性和实时性，以及足够的通信距离。r s - 4 8 5 是一种半双工的电气协 议，传播介质采用双绞线。当比特流在介质上传输时，双绞线对上呈现的是一 对极性相反的信号，这样在r s - 4 8 5 网络中，在任意时刻，总线就只能允许其上 的一个节点向总线发送数据。如果总线上的某些节点发生故障，或者系统上位 机的调度出现不该有的失误，导致多于一个以上的节点同时向总线发送数据时， 就极有可能使总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的r s 一4 8 5 驱动器，导致故 障范围的进一步扩大【枷。由此可见，r s - 4 8 5 总线故障隔离能力差，网络系统的 总体可靠性低，不适于应用在井下通信系统领域 2 6 - 2 7 1 。 通过以上几类监测系统的介绍，可以看出目前市场上存在的液压支架监测系 统虽然在一定程度上满足了监测的要求，但这些系统都有一些缺点，有的工作 效率低下，不能够实现在线实时监测，有的通信系统不够稳定，不能满足井下 作业要求。另外，以上三类系统都没有考虑井下对供电系统的严格限制，系统 未采用低功耗设计，电流大，电压高，不易实现( 本安本质安全型设备内部的电 路在规定的试验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和熟效应 均不能点燃规定的爆炸性气体或蒸汽) 。 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 3 第1 章绪论 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，因此，结合我国煤矿条件开发出自己的煤 矿监控系统，可摆脱对国外产品的依赖，对提高我国的采煤自动化水平有重要 的意义【2 1 1 。 1 3 本文的研究内容和体系结构 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，以郑州煤机厂生产的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，以基于a r m 和l lc o s i i 嵌入式操作系统 的软件系统为液压支架控制系统，同时详细阐述一套完整的基于现场总线c a n 总线和组态软件的液压支架监控系统的设计。围绕这一主题，所开展的工作如 下： 第一、液压支架控制系统整体方案设计的内容主要包括两个方面： 1 、液压支架工况和动作分析。对液压支架工况和动作历史趋势分析，在采 煤阶段和其他需要位置改变时支架的各种动作进行了分析，同时对支架的各种 联合动作时的关键参数包括时间、位置、压力、温度等做了相关的分析。 2 、选择了下位机控制器的芯片并设计了相关的外围系统，并根据对系统的 要求设计选择p h i l i p 公司的删7 l p c 2 2 9 0 为m p u 的整体控制方案，对外围 硬件进行选型。在基于a r m 和uc o s 嵌入式操作系统的软件系统对系统进 行了任务划分，并编写了液晶显示任务。 第二、液压支架控制系统组态监控系统的内容主要包括上位机通信设计和 上位机监控软件设计两个方面： 1 、对液压支架监控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，然后对c a n 总线节点硬件接口电路分析之后设计网络通信方 案，并对上位机通信的要求和数据帧格式详细分析之后设计了上位机通信任务。 2 、组态软件的设计和实现。针对支架监控系统中对组态软件的需求及考虑 系统稳定性、成本、开发周期等因素，本文提出了一个在专用于液压支架监控 4 第1 章绪论 系统的组态软件设计方案及实现方法。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。 第三、液压支架监控系统的调试。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各个功能进行模拟测试，并在上位机各个屏幕上 动态显示现场各个监测模块的运行情况，并制定了操作规程。 第2 章液压支架控制系统整体方案 第2 章液压支架控制系统整体方案设计 设计监控系统之前，必须详细了解液压支架控制系统的整体方案设计包括 电液支架的主要技术要求、控制系统的总体结构及重要组成，同时还要明确液 压支架的工作状态、相关参数设定及错误信息并对下位机的硬件结构和软件任 务设计有充分的了解，这样才能设计出满足客户需求、功能完善、安全稳定的 监控系统。 2 1 液压支架控制系统硬件集成 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 图2 1 综采工作面采煤示意图 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 2 8 - 3 2 】。 液压支架能够是有效地支撑和控制工作面项板，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 6 第2 章液压支架控制系统整体方案 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 迅速提高奠定基础口3 - 3 7 1 。液压支架支护如图2 2 所示。 酬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1 3 8 4 0 i 。 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，同 时控制系统的数据通信的实时及可靠性和硬件抗干扰成为首先考虑的问题。下 面从液压支架控制系统主要技术要求、控制系统的总体结构和重要组成、液压 支架控制系统煤矿安全要求四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。 2 1 1 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： 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； 第2 章液压支架控制系统整体方案 实现邻架单动作控制； 实现邻架联动控制； 实现成组自动控制； 实现支柱在工作中发生卸载时的自动补压功能； 实现闭锁及急停功能； 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： 监视综采工作面各个液压支架推移千斤顶的行程值、立柱压力值及采煤机 在综采工作面中的位置； 监视综采工作面各个液压支架状态及错误信息； 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： 按键操作液压支架动作； 显示出液压支架相应的动作信息； 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；显示液压支架状态及错误信息 2 1 2 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 3 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。 8 第2 章液压支架控制系统整体方案 c _ n 总线ic g q 罐m 支架控制器l1 支架控制器 节点2 节点3 霎ij 萋jj 茎l l 蓁jj 萋1j 茎雏 图2 3 基于c a n 总线的支架电液控制系统总体结构简图 支架控制器 节点n 躯 2 1 3 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、液压系统、压力和位移传感器、液压支 架等组成。所有的支架控制器节点通过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1 3 “o l 。 1 、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 9 第2 章液压支架控制系统整体方案 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。 2 2 液压支架工作状态分析 为了更好的在液压支架监控系统中对液压支架的每个动作和动作过程历史 趋势进行监控，必须对单个液压支架的单个动作、联合动作及由若干数量组成 的成组的液压支架单动作和联合动作进行工作状态分析，包含液压支架的常规 动作以及相关参数设置和液压支架报警设置【4 2 - 4 6 1 。 2 2 1 液压支架的常规动作 一、单个支架单动作 “单架”是一次操作的被控支架只有一架：左邻架或右邻架。“菲自动 就 是被控支架确定后，要做什么动作就按住规定的键，动作过程直接受制于操作 人员，没有自动功能。多数情况下，按住一个键一个电磁线圈吸动，导致支架 做一个动作( 由液压系统安排的连带动作除外) 或实现一项功能( 如喷雾等) 。 根据用户的要求，程序也可以实现按住一个键，同时使支架二个或三个动作联 动。如同时按住二或三个键，则这二或三个键对应的动作同时执行。单个支架 的动作可分为以下几类，如表2 1 所示： 1 0 第2 章液压支架控制系统整体方案 表2 1单动命令表 命令指令 单动 l234567891 0l l1 21 31 41 5 且 立支伸伸收伸收伸收伸收支伸伸 柱柱架梁 平 平侧侧架梁平 上下刚开衡衡级级级级护护翮f停衡 升 降 移始千千护护 护 护板板移止千 开开开 斤 斤帮帮帮帮开开 停 斤 始 始始顶顶板板板 板 始始 止 顶 开开开开开开停 始始始始始始 止 1 61 71 81 92 02 l2 22 32 42 52 62 72 81 93 0 卫业支伸伸收 伸收伸收 伸收抬收缩 柱柱架粱平平 侧侧 底 底 梁 上 下前停衡衡级级级级护护 座摩 停 升降移止 千 千护护护护板板停停 止 停停停斤斤帮帮帮帮停停止止 止止 止顶顶板板板板 止止 停停停停停停 止止止止止止 单架单动中伸、收一级护帮板和伸、收二级护帮板需根据煤质及地质条件 调整支护姿势。伸侧护板使支架之间柔性连接，防止岩石或煤块从支架之间掉 下。 伸、收平衡千斤顶使顶梁端倾斜一定的角度，使顶梁的载荷分布根据工况调 整到更合理的姿态。支架的单架单动都为点动( 按下按钮支架动作，松开按钮 支架停止动作) ，所以支架的是否动作及动作时间完全由操作者决定。 二、单架联动( a s q ) 和成组自动 单架联动( a s q ) 和成组自动a s q ( b a t c h 或a u t o m a t i ca s q ) 中放入a s q 是指降柱、移架、升柱三个单动作实行自动顺序联动，以移架为中心合成一个 复合动作，称之为a s q ( a u t o s e q u e n c e ) 。除了这三个主动作之外，与之关联的 其他动作，如平衡千斤顶、抬底、侧护板、护帮板等动作也可与主动作协调配 第2 章液压支架控制系统整体方案 合，参与到程序中来。a s q 本身的含意只是单个支架的一项自动功能。 单架联动包括降抬移和降移伸，单架联动动作过程原理就是支架先降架， 使顶梁脱离顶板，直到立柱压力降到p 0 ( 移架压力) 后( 或者同时开始移架) ， 支架开始向前移，移到设定位移后，在升架，直到升立柱压力到达p 2 ( 初撑压 力) 。单架联动是支架的自动动作，操作者只需要启动，这一系列动作就由支架 自动运行，系统提供的a s q 控制功能既能对单架( 邻架) 实施a s q 控制( s i n g l e a s q ) ，更包括成组自动a s q ( b a t c h 或a u t o m a t i c a s q ) 。所以必须有相关的参 数，成组自动化包括自动成组a s q 、成组自动推溜、成组自动拉溜参数、成组 自动伸缩护帮板其参数设置在后面会介绍到。 2 2 2 液压支架相关参数设置 为了达到控制目的和效果，对影响控制过程的许多特征量作了规定并允许 它们在一个有效量值范围内设定，这就是参数。操作者可以根据生产条件通过 输入操作赋予控制系统最合适的参数值，达到最佳控制效果。参数使控制系统 增加了适应性和灵活性。参数有三种类型，一种是物理量，如长度、压力、时 间；另一种是计数值，如个数、次数等；再一种是功能状态参数，两态( o n ， o f f ) 或三态( o n ，n o ，o f f ) 或四态，属于开关量或选择量，与功能的禁止 允许相似。参数的菜单项形式都是左边为参数名称，右边为量值和单位 4 2 1 。 在上一节中，对于单架联动( a s q ) 和成组自动化中的动作设计中的一些 参数将在本节中详细介绍。成组自动化参数设置包括自动成组a s q 参数设置、 成组自动推溜参数设置、成组自动拉溜参数参数设置、成组自动伸缩护帮板参 数设置。使支架能跟据不同的参数在不同的环境中运行，而这些参数必须能够 由操作者根据各种因数通过操作界面来设置，主要的参数分为如下如下几类： 1 、标志性参数。这些参数都是一些开关量，主要涉及到在支架执行单架联 动时，在降柱阶段是否同时执行移架及一些附加的动作在整个联动时是否要执 行。a s q 的标志性参数设置( 开关量) 可见表2 2 所示： l a s q w a r n a s q 动作时，是否执行预报警过程 0 n o f f 2 a s p r a y f 移架过程是否喷雾 o n o f f 1 2 第2 章液压支架控制系统整体方案 3l o w e r + a d v 降柱和移架是否同时开始 o n 0 f f 4a d v + l i f t d q g 移架过程是否要抬底座 o n f o f f 5g a pt s t a s q 前期是否进行推移千斤顶活塞 o n o f f杆松驰间隙的检测 6 升柱到过渡压力时是否要附加拉一 s e t + p u l l 下支架以避免由于支架的几何特性 o n | o f f 而在升柱中支架向后移动 7 i n同时缩 s t a bf l g o降柱阶段是否同时让平衡千斤顶动 0 u t同时伸 i n o u t o f f作 0 f f不动作 8 i n同时缩 s t a bf l g l再降柱阶段( 某一次) 是否同时让 o u t同时伸 烈 0 i u l o f f平衡千斤顶动作 o f f不动作 9 i n同时缩 s t a bf l g 2升柱阶段是否同时让平衡千斤顶动 o u t同时伸 烈 0 u 1 f o f f作 0 f f 不动作 1 0 o无动作 a s qf l i p a s q 动作过程中，护帮板如何协调 l 开始前，先收护帮板 q f 、| 2 3动作2结束后，伸出护帮板 3兼具l 和2 功能 2 、时间类参数。主要是一些时限参数，由于支架在自动运行a s q 时，可 能会产生各种异常情况，比如移架不到位、立柱压力降不下来等，如果没有相 关的时限参数来约束这些动作的执行那么支架可能一直在执行这个动作，这样 导致支架效率极低，也可能破坏支架。成组自动a s q 的时间类参数设置表如表 2 3 所示： 1 3 第2 章液压支架控制系统整体方案 l a s q w a r nt第一架a s q 动作之前的蜂鸣器预报警时间 本架a s q 动作开始前等待两边邻架柱压力到规定初撑压力的 2n bw a i t 最大时间 3p o l o w e rt卸压过程( 虑卸至移架压力p 0 ) 最大时问 卸压至移架压力p o 后，降柱过程的定时限，目的是使支架完全脱 4l o w e r 2 离顶板 5l o 、a d vt 也是降柱过程的定时限，降柱同时开始移架使用这个参数 m a x a d v a n c e移架的最大时间。如在此时间内支架移不到位，则开始再降柱过 6 t程 m a x 7 次再降柱持续的最大时间，再降柱过程支架边降边移 r e l o 、脏rt m a x r ea d v 8后续移架阶段最大时间 t 9s t a bto 降柱阶段平衡千斤顶动作时间 1 0s t a btl 再降柱阶段( 某一次) 平衡千斤顶动作时间 l ls t a bt2升柱阶段平衡千斤顶动作时间 1 2m a x s e t p lt 升柱( 至过渡压力) 给定的最大时间 1 3m a x s e t p 2t 完全支撑( 至规定初撑压力) 给定的最大时间 1 4as p r a yt喷雾持续时间 1 5g a pp u l la s q 前期检测推移千斤顶活塞杆松驰间隙而拉一下溜子时间 升柱时推一下溜子的最大时间，其目的是补偿千斤顶活塞杆的松 1 6g a pp u s h 驰间隙 自动成组的压力类参数、行程类参数、特殊类参数和技术参数由于篇幅愿意 就不做介绍。 成组自动控制就是：以工作面的任何一个支架为基准( 操作架) ，向左或向 右连续相邻的任意个支架被设定为一组，支架的某一动作( 单动作或自动顺序 联动的复合动作) 在给出命令后从这个组一端的起始架开始运行，按一定的程 序在组内自动地逐架传递，每架的动作自动开始，自动停止，直至本组另一端 的末架完成该动作为止。成组执行什么动作、组的位置、架数、动作的传递方 1 4 第2 章液压支架控制系统整体方案 向取决于操作架位置以及在操作架上所键入的选择命令。成组自动控制必须先 作系列的参数设置，也就是给成组自动控制设条件定规则，但不必每次都设 置，参数存入后只在要改变时才重新设置。以成组自动推溜( 表2 4 ) 和成组自 动伸缩护帮板( 表2 5 ) 为例介绍相关参数。 表2 4成组自动推溜功能的有关参数 1b p s i z e运行成组自动推溜的总架数 操作架与执行自动推溜的组之间的间隔架数，这些 2 b p0 仃e t 间隔架不执行自动推溜 参加运行成组自动推溜的支架又分为若干小组，小 3b p g r o u p 组内支架同时推溜，本参数设定每小组的支架数 4 b p a c t i v a t i n gt i m e 每架推推溜持续的最长时间 成组自 5 b pd e l a y相邻小组开始推溜的延时 动推溜 邻架之白j 推溜行程差值的最大允许值。超过此值， 功能的6b pd e l t a 有关参 行程超前的千斤顶停止推，防止溜子脱节 7 b pc u t o f fv a l u e千斤顶推溜到位的行程值 数 如某个支架推溜已到位，此时为了保护千斤顶活塞 8b pa b o r t 杆及其连接件，程序使两边邻架也都停止推溜。本 参数规定两边邻架在此情况下应停i t 推溜 本参数与上一个参数b pa b o r t 配合，当本架千斤 9b pp r o t e c 顶行程超出到位值达本参数距离时，邻架停止推溜 1 0 b pp r e s s允许执行推溜的本架支柱最低压力 表2 5成组自动伸缩护帮板的有关参数 成组自 1 f l i p s i z e运行成组自动伸缩护帮板的总架数 动伸缩2 f l i pd e l a y 相邻架先后开始动作的延时 护帮板 收一级护帮板开始动作的延迟时间( 以收护帮板程 3f l i ns to 的有关 序段的起始时间为零点) 参数 收二级护帮板开始动作的延迟时间( 以收护帮板程 4 f l i n s tl 序段的起始时间为零点) 5 f l i nt0收一级护帮板的持续时间 6 f l i ntl 村一奶栌帮桶的椿缝时闻 1 5 第2 章液压支架控制系统整体方案 伸一级护帮板开始动作的延迟时间( 以收护帮板程 7 f l e xs to 序段的起始时间为零点) 伸二级护帮板开始动作的延迟时间( 以收护帮板程 8 f l e xs tl 序段的起始时间为零点) 9 f l e xt0收一级护帮板的持续时间 1 0 f l e xt1 腑。一蛳栌帮析的椿缝时闻 系统大部分参数都是服务于成组自动控制功能，位于各相应的菜单列中，这 些参数在介绍各自动功能的操作时，本节仅说明“全局参数列中的参数项。 在液压支架监控系统的一个模块设计中( 参数设置观测模块) ，要对综采工作面 的液压支架的总体参数、局部参数和端头自动化参数进行监控： 所谓全局参数是指对全工作面所有控制器取值均一致的参数。而且只要在 任意一个控制器上输入或修改某一项总体参数，该项参数的新值会自动传给所 有控制器。实际上绝大部分参数都是“全局 型的，“本架 型的参数仅少数几 个，总体参数介绍如表2 6 所示： 表2 6 全局参数 全最大 列表项目名称最小值标准值单位 局值 参l 电液支架数量 l1 7 8 3 0 0 数 2 采煤机前面的安全区 341 5 3成组推溜安全区0l1 5 4 后拉安全区 ol1 5 5推溜自由区域ol1 5 6自动顺序自由区域ol1 5 7 最大行程5 0 8 5 1 0 0 c m 8 运输机溜槽的最大角度范围 l3 01 0 0m m 9推溜的最大启动时间l82 0s 1 0后拉的最大启动时问l82 0s l l 用于推溜的支架数l 21 0 1 2用于后拉的支架数o22 0 1 3用于推溜的停止值35 0l o oc m 1 6 第2 章液压支架控制系统整体方案 1 4用于后拉的停止值352 0c m 1 5成组数量 0 o2 0 1 6 预先区域护板收伸 o51 5 1 7部分成组推溜l51 5 1 8在一顺序内前移期间的停止值o51 0 0c m 1 9 最小前移速度 41 0 1 5c m s 2 0最大收【日i 时问l8l os 2 1最大前移时间ll o2 0s 2 2 长壁工作面内同时顺序的最大数量 l 35 2 3伸收护帮板自动化l1 5 成组自动控制的参数中除了全局参数，还包含局部参数和端头顺序自动化局 部参数也暂不做介绍 2 2 3 液压支架错误信息和报警设置 该项目显示支架控制器执行自动功能中最近一次发生的错误( 实际上应理 解为不正常) 的情况。在上位机监控系统报警模块中如发生下列错误，系统自 动产生相应报警信息，提醒操作人员进行相应处理，避免事故的发生。错误代 码及其含义见表2 7 所示。 表2 7 错误信息表 项目栏错误名称 邻架未能可靠支护 支架不能前移到位 升柱未能达到过渡压力 升柱未能达到初撑压力 自动降移升联运( a s q ) 的错误 a s q 执行期间被紧急停止或取消 邻架不能被闭锁，本架a s q 未能执行 蜂鸣器故障 降柱后支柱压力示能降至设定的移架压力 自动推溜( b p ) 的错误未能达到目标行程 1 7 第2 章液压支架控制系统整体方案 项目栏错误名称 行程传感器故障 执行自动推溜期间被紧急停止或取消 初始行程值表明没有可推量 支架支柱压力低于设定的参数值 自动推溜( b p ) 的错误 由于邻架己推到位，为保护千斤顶而中止推溜 本架过推 同时在人机界面菜单设计中! 错误信息菜单 表明也会显示的是哪一项自 动功能的错误信息，按相应的键该名称会逐次在降移升错误、自动补压错误、 成组错误、通信错误间切换。右边表示错误情况的数字代码，如没有错误 则显示。按