（机械电子工程专业论文）基于双can总线的液压支架电液控制系统设计.pdf

摘要 摘要 液压支架是煤矿井下安全支护的主要设备，掩护式液压支架是综采工作面 大量使用的架型之一。为提高支架支护效率，越来越多的综采面开始采用电液 控制系统。电液控制系统是以电子控制技术为核心，采用总线通信技术实现液 压支架的位姿调整的控制系统，同时可实现工作面设备的监控管理。 综采面的液压支架数量较多，所以对电液控制系统的通信要求很高。本文 采用双c a n 总线通信，完成了整套控制系统的设计。主要研究工作如下： l 、对液压支架的邻架、a s q 、成组等动作进行分析，根据系统实际要求确 定了各动作的相关参数并通过液压系统仿真得到单个动作的最大动作时间。 2 、对电液控制系统通信数据分析后，根据系统通信的实时要求将总线数据 分为邻架操作和轮询两大类，构建了双c a n 总线的系统通信网络；对系统通信 过程分析后，采用动静结合的调度算法分别设计了两条总线的通信调度和应用 层协议。 3 、采用l p c 2 2 9 0 作为双c a n 网络系统的节点控制器芯片，并设计了相应 的接口电路，完成控制器硬件开发；在pc o s - i i 嵌入式实时操作系统下将系统 软件划分为通信、按键、显示、输出、急停闭锁、数据处理和显示任务，并完 成各任务程序的编写。 4 、对电液控制系统进行模拟试验和现场调试，并采用总线分析仪对c a n 总线数据进行了检测和分析。 通过对系统的模拟试验和通信数据的分析，本文设计的基于双c a n 总线的 电液控制系统能够满足相应的功能和实时性要求。 关键词：液压支架；电液控制系统；双c a n 总线；| lc o s - i i 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 st h em a i ne q u i p m e n to fs e c u r eg u a r a n t e eu n d e rm i n e ，t h e s h i e l ds u p p o r ti sm a s s i v eu s e sf r a m e i no r d e rt oe n h a n c et h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo f s h i e l ds u p p o r t ，m o r ea n dm o r ee 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 su s e di ni nt h e l o n g w a l l e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , u s i n g t h eb u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i si no r d e rt or e a l i z et h es h i e l ds u p p o r tp o s i t i o n a n dp o s t u r ea d j u s t m e n ta n dt h ew o r k i n gs u r f a c ee q u i p m e n ts y n t h e s i sm o n i t o ra n d m a n a g e m e n t t h en u m b e ro fs h i e l ds u p p o r to nl o n g w a li sb i g ，s ot h ec o n t r o ls y s t e mi ss t r i c tt o r e a l t i m ea n ds e c u r i t yo ft h ec o r r e s p o n d e n c e t h i sp a p e r & s i g n st h ec o n t r o ls y s t e m b a e d eo nd o u b l ec a n b u s ，a n dc o m p l e t e dt h es y s t e mh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e d e s i g n t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i sp a p e rc a r r i e so nt h ea n a l y s i st os i n g l ef u n c t i o n ，a s q ，b a t c hm o v e m e n t o fs h i e l ds u p p o r t , a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ee 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 m , d e s i g n sv a r i o u sm o v e m e n t sr e l a t e dp a r a m e t e ra n dg e t st h eg r e a t e s tt i m eo fs i n g l e f u n c t i o nt h r o u g ht h eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o n s e c o n d ，a f t e ra n a l y z et ot h ed a t ao fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h i sp a p e rd i v i d e s t h eb u sd a t ai n t on e i g h b o ro p e r a t i o na n dp o l l i n ga c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m er e q u e s t o fc o n t r o ls y s t e ma n dc o n s t r u c t st h ed o u b l ec a n - b u ss y s t e mc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a f t e rs y s t e mc o m m u n i c a t i o np r o c e s sa n a l y s i sd e s i g n st w oc a n b u s c o r r e s p o n d e n c ed i s p a t c h e sa n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e ra g r e e m e n ta c c o r d i n gd i s p a t c h a l g o r i t h m t h i r d ，t h i sp a p e ru s e sl p c 2 2 9 0a st h ec h i po fn o d ei nt h ec a n b u ss y s t e ma n d d e s i g nc o n n e c t i o ne l e c t r i cc i r c u i to fp e r i p h e r yc o m p o n e n t ，c h a r t i n g o nt h es o f t w a r e p r o g r a m m i n gu s i n gt h eu c o s - i ie m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gt h r o u g hd i v i d i n g t h es y s t e mt o c o m m u n i c a t i o n , k e y , o u t p u t ，e m e r g e n c ys h u t d o w n ，d a t ap r o c e s s i n g a n dd i s p l a yt a s k a l lt a s k sa r ec o m p l e t e d t h i r d ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st h en o d eh a r d w a r ed e s i g nu s i n gl p c 2 2 9 0 ，a n d c a r r i e so nt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gu s i n gt h euc o s - i ie m b e d d e dr e a l t i m e i i a b s t r a c t o p e r a t i n gt h r o u g hd i v i d i n gt h es y s t e mi n t oc o m m u n i c a t i o n ，k e y , o u t p u t , e m e r g e n c y s h u t d o w n , d a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a yt a s k a l lt a s k sa r ec o m p l e t e d l a s t , c a r r i e so nt h es i m u l a t i o nt e s ta n dt h es e e n ed e b u g g i n gt ot h es y s t e m ，a n d u s e st h ec a n - b u sa n a l y z e rt oe a r l yo nt h ee x a m i n a t i o na n dt h ea n a l y s i st ob u sd a t a a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o nt e s ta n dd a t aa n a l y s i s ，t h i sc o n t r o ls y s t e mc a l lm e e tt h e f u n c t i o na n dr e a l - t i m er e q u e s t k e yw o r d s ：s h i e l ds u p p o r tt ；e l e c t r o - h y d r a u l i cs y s t e m ；d o u b l ec a n b u s ；| lc o s - i i 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。 学位论文作者签名( 手写) ：邮专元签字日期： l , a 0 7 年6 月c 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： 豇户专无 导师签名： 签字日期： t o o7 年易月iff t签字日期： e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 我国煤炭生产以井工为主，产量约占总产量的9 5 。煤炭资源埋藏深度大， 地质条件差，断层、褶曲、火成岩侵入等地质构造复杂，煤矿瓦斯爆炸、矿井 火灾、地下水等灾害威胁严重。煤炭开发自然条件差、灾害多、技术难度大、 安全生产设施落后是重大安全事故突发的主要原因。如果支架系统采用电液控 制，则可以降低了工人的劳动强度，提高移架的速度，有效地维护项板安全， 也可以加快工作面的推进以适应高效快速运行的采煤机。采用电液控制系统， 将极大地提高煤炭生产自动化程度，提高劳动生产率，并提高作业环境的安全 性【。 1 2 国外支架电液控制系统发展概况 自从英国煤炭局首先提出研制支架电液控制系统并在1 9 5 4 年诞生了第一个 综采工作面后【5 羽，电液控制技术就不断得到发展和完善，目前综采液压支架电 液控制系统已经达到如下功能【7 】：通过在支架上安装的电液控制器、压力传感器、 行程传感器、电液控制阀，实现液压支架的自动移架、自动推移输送机、自动 放煤、自动喷雾等成组或单架控制，也可以实现对支架的单个功能进行控制。 美国、德国、波兰等国家的液压支架电控技术走在世界前列，其液压支架电液 控制系统配置有故障诊断预警装置，可实现液压支架与采煤机、刮板输送机联 动和远程控制。 液压支架电液控制系统已成为先进产煤国家综采工作面液压支架的标准控 制装备，在美国、澳大利亚、德国等国家已经普遍应用。此外，中国、斯洛文 尼亚、南非、俄罗斯、波兰、墨西哥、加拿大等国家也已大量使用。当前国际 上主流的液压支架电液控制器主要有：德国d b t 公司的p m 4 型控制器、德国 m a r - c o 公司的p m 3 1 和p m 3 2 型控制器和美国j o y 公司的r s 2 0 型3 种控制 器，这3 种控制器占总数的9 0 以上。此外还有德国e e p 公司的p r u 6 型控制 器和蒂芬巴赫的a s g s 型控制器等。德国采矿技术有限公司( d b t ) 是1 9 9 5 年末 由当时的3 个德国公司合并组成的。d b t 公司是全球成套井下采矿设备供货商， 第1 章绪论 主要提供从液压支架、电液控制系统、输送机、刨煤机、采煤机到破碎机、辅 助运输系统的成套设备和解决方案。德国玛坷公司( m a r c o ) 是一家经过a t e x 和1 5 0 9 0 0 1 质量体系认证的本安型井下工作面控制系统的生产商。玛坷公司长 期致力于开发和生产贴近矿业用户需求的电液控制系统。现在的主打产品是 p m 3 2 和p m 3 1 支架电液控制器。主要产品有：系统集成、电子、电液部件、传 感器、阀类产品，以及立柱，推移千斤顶等。目前，大概有8 0 的中国自动化 程度较高的矿井已经选择了或计划通过合资公司购买p m 3 2 或p m 3 2 控制器。 j o y 采矿设备公司已成为井下采矿设备设计和制造业的领导者。其产品包括： 连续采煤机、梭车、采煤机、工作面刮板输送机和液压支架【黏1 4 】。 1 3 国内支架电液控制系统发展概况 电液控制技术在美国、德国等综采技术领先的国家得到了广泛的应用，而 我国则是近几年才逐步在一些液压支架上配套使用电液控制技术。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 2 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，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【1 5 - 2 0 1 。 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 2 第1 章绪论 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。德国、美国、波兰等国家的液压支架电液控制技术已 经相当成熟，我国无论从理论上还是从当前技术水准上来说，开发电液控制系 统是完全可行的。从我国研发电液控制系统的历程来看，几家科研单位研发的 控制系统在地面试验可以正常工作，在井下试验却不正常，主要原因是煤矿井 下环境恶劣，粉尘大，干扰信号强，可靠性不够高。此外，国产的电液控制阀 在性能上与国外相比也存在较大差距，主要表现在使用寿命、可靠性和制造精 度上 2 0 - 2 4 1 。 我国液压支架电液控制系统发展缓慢的原因主要是控制器原件的可靠性、 电路板的制作工艺较国外存在较大差距；加工水平低，批量生产时产品达不到 样机水平，系统整体工作受到严重影响；研发团队和资金分散，大量从事低水 平重复性工作。目前我国科研单位攻关重点就是支架控制器的可靠性和电液阀 的性能，只要能得以改善，国产液压支架电液控制系统的工业化实现将为期不 远 2 2 2 5 。 1 4 本课题研究内容 本文首先对z y 7 6 0 0 2 2 8 4 5 型掩护式液压支架工况和动作类型及过程进行 分析，并比较了当前流行的几种电液控制系统，设计了控制系的总体方案，完 成控制系统的硬件设计。 其次，构建基于双c a n 总线的系统网络，并采用通信调度算法设计通信调 度过程，设计控制系统的相关参数。 第三，在t tc o s - i i 嵌入式实时操作系统环境下，对系统的任务进行规划、 安排相应的优先级并分别对各个任务进行设计、编程。 最后，在实验室环境下对系统进行模拟试验，采用c a n 总线分析仪对总线 上的数据进行分析并最终完成现场调试。 3 第2 章电液控制系统的总体设计 第2 章电液控制系统的总体设计 2 1 引言 本控制系统的控制对象掩护式液压支架简图见图2 1 。 1 顶梁2 护帮机构 3 立柱 4 底座 5 抬底千斤顶6 移架千斤顶 7 推移机构8 平衡千斤项9 掩护梁1 0 四杆机构1 1 侧护机构 图2 1 掩护式液压支架简图 本章通过对支架的液压系统和支架的工况进行分析，完成控制系统的整体 方案和节点控制器的硬件设计。 2 2 支架液压系统分析 支架的各千斤顶的动作是由高压的乳化液来提供动力的，通过对电磁阀的 操作控制液压回路变化使各千斤顶产生相应的伸缩从而改变支架的姿态，形成 不同的支护效果。单个支架的液压系统见图2 2 所示，控制器通过对先导阀的控 制实现支架的动作控制。先导阀阀组为单元组合结构，共集成了7 个单元。每 个单元对应一对液动主控阀，全是二位三通阀。每对液动主控阀控制一个( 或 一对) 液压缸。先导阀的先导阀杆动作除了靠电磁线圈通电产生的吸力，还可 以直接推压推杆的外端。在停电、电控系统有故障或其他不使用电控系统的情 况下，作为应急操作，可直接按推杆使用先导阀动作。电磁阀组的每一个单元 的两个电磁阀通过电路实现自锁( 即不会出现两个电磁阀同时吸合) 。 4 第2 章电液控制系统的总体设计 二级护帮级护帮 伸艨千斤顶干斤顶 千斤顶 凹i 幽纩刨断1 _ 删 袅 ff 茜5 卞一牡 曳扩弋步l t | ； l 奄护粱喷雾瘟5 蜘 门广1 上f 帮爹 ff 0 ： 5 5 腩3 黧 i l = = 厂_ 5 电 筚 哺顶皋 譬 訾l ：” 匮酱 = j 。 到 j 连杆喷雾 哇 一 _ 一 n i ij 肉， ， l 、 疆 3 j】j1j - r叫1乎 堆 r，l 1 f l 2 了 一 - j 鼻 j 障 l l 譬 i h_ 1 宝9 一 削l剑列i创_ 白i 幽叫埘 r 窖c 学l 。甲n 卧甲n 审阿m 睁一甲 p j ； 1 1 =呻l 一 1 j f增槲ww 黼ww榭 l 侧 推 工 斤 顶 l ，先导阀组2 主控阀组3 液控双向锁4 液控截止阀5 安全阀6 液控单向阀 7 滤油器 8 单向阀9 。截止阀 图2 2 掩护式支架液压系统 推移千斤顶的活塞杆腔接有闭锁回路，防止在移架时输送机往后退缩，并 装有一安全阀来控制闭锁压力，实现过载保护。两立柱下腔都装有液控单向阀 5 第2 章电液控制系统的总体设计 和安全阀，以实现有效地支撑顶板和恒阻让压。四个侧推千斤顶分两组控制。 平衡千斤顶两腔装有液压锁和安全阀，用以锁定调好的位置和控制锁定压力， 并进行过载保护。杆腔安全阀整定压力要比活塞腔安全阀整定压力大，其目的 是尽量平衡两腔的锁定推、拉力。护帮千斤顶两腔装有液压锁和安全阀，用以 锁定调好的位置和控制锁定压力，并进行过载保护。提底座千斤顶由电磁阀控 制伸出，电磁阀处于零位时千斤顶两腔均与回液管相通，靠支架自重自动缩回。 2 3 液压支架动作分析 液压支架工况的特殊性和复杂性使液压支架需要不同的动作来实现对综采 面的支护，主要可分为两大类：单架动作和成组动作。 1 、单架动作 单架的动作是单个支架进行单个动作或联合动作时的工作状态，“单架是 指一次操作形成的被控支架只有一架：左邻架或右邻架，如有需要也可以为本 架。单架的动作分为单架单动和单架联动。 单架单动主要包括【5 】： 1 ) 、升柱、降柱。立柱缸的伸缩使支架升高降低。 2 ) 、移架、推溜。推移千斤顶的伸缩使支架前移推溜。 3 ) 、伸、收一级护帮板。根据煤质及地质条件调整支护姿势。 4 ) 、伸、收二级护帮板。根据煤质及地质条件调整支护姿势。 5 ) 、伸、收伸缩梁。调节支护范围。 6 ) 、抬、收底座。抬底座使支架顺利前移。 7 ) 、伸、收侧护板。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。 8 ) 、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。 支架的单架单动一般为点动( 按下按钮支架开始动作，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；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大动作，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、侧护板的动作等在需要情况下也可以选择。 6 第2 章电液控制系统的总体设计 2 、成组动作 采煤的工作面支护系统通常有几十个甚至上百个液压支架，如果只有单个 支架的动作，那么采煤的效率将是非常低。采煤机采煤的速度相对支架的移动 速度来说是较快的，要提高采煤的效率，就需要支架的成组动作。 成组动作：一次支架动作的控制都可选定工作面的任何一个支架为标志架， 不包括标志架而从标志架任意一侧的邻架开始连续相邻的若干个支架被设定为 一组，操作者在标志架上发出操作命令，支架的某一功能的动作可以从标志架 的邻架开始，按一定的程序在组内自动向离开或靠近标志架递进动作，每架的 动作均自动开始和自动停止，直至本组所有最支架完成该动作为止。每一个功 能动作及其每一次操作都可以有不同的组位置、组规模和动作递进方向。位置 取决于发令操作的标志架位置和选定的组方向，规模( 架数) 取决于操作前的 参数设置。动作递进方向通过键操作确赳堋。成组动作分类如表2 1 所示。 表2 1 成组动作分析 动作类型动作分析 推溜就是当采煤机在综采面上采完一个层煤时，采煤机需要往前移采煤深度的距 成组推溜离，而采煤机是由溜子支撑的，所以此时需要通过固定支架，由伸移架千斤项来 推动溜子往前移动。 成组拉溜在采煤完成或者其他情况需要溜子后拉时，需要支架能够产生拉溜动作。 成组伸缩 在采煤机即将经过支架时，支架需要将护帮板收起来，采煤机经过后再伸护帮板。 护帮板 成组a s q组中每个支架的动作与单架a s q 的相似。 黼区 图2 3 成组推溜动作示意图 7 第2 章电液控制系统的总体设计 成组推溜动作的示意图见图2 3 ，在成组推溜区内推溜之前，在安全区( s z ) 和成组推溜区( b z ) 内，标识架发出一个长达5 秒钟的声光报警信号。 其他成组动作过程类相似。 3 、完全成组 完全成组状态是支架根据采煤机的位置自动完成降架、移架、升架及相关 的支架动作，本文不进行详细研究。 电液控制系统必须满足安全操作和自动控制的要求，一个完整的电液控制 系统的主要功能如下【5 】： ( 1 ) 单架单动作。双向按键控制，操作者可以在工作面内任一台支架上控 制其它支架每一个单独的动作。 ( 2 ) 实现支架的降、移、升的a s q 程序控制。 ( 3 ) 实现程序控制时各动作由相应传感器反馈信号控制，传感器不工作时， 各动作由时间控制。 ( 4 ) 实现调节支架和输送机位置的全工作面调控功能。 ( 5 ) 擦顶移架时，立柱下腔压力可以调整。 ( 6 ) 实现移架和推溜的一次到位或多次定量到位推移，可实现对推移千斤 顶的行程越限的处理。 ( 7 ) 实现支架与采煤机联动的全工作面自动控制。 ( 8 ) 电控程序可根据工作面实际需要而随时进行调整。 ( 9 ) 有查询、显示支架主要参数和信息传输的功能。 ( 1 0 ) 各架上有故障报警信号、紧急停止按钮、动作显示信号和必要的安 全功能。 2 4 主流电液控制系统总体结构比较 目前比较流行的电液控制系统有d b t 公司的p m 4 型电液控制系统、 m a r - c o 公司的p m 3 1 和p m 3 2 型电液控制系统及e e p 公司的p r am a t i e 型电液 控制，其对比见表2 2 。表中分别对3 种电液控制系统的控制器的外壳、系统所 用的传感器、控制器和主控机的配置、控制系统的软件、系统的操作界面、控 制器之间的连接电缆及系统的供电等进行比较。 8 第2 章电液控制系统的总体设计 表2 2 主流电液控制系统的比较 p m 4 e e pp r a m a t i e p m 3 l 控制装置封装在非常坚固、轻便，防护性能好。坚固轻便安装于钢制的固定 外 结实的不锈钢外壳外框架。 女 里，可适应井下各种冗 不同的采煤条件。 传 压力传感器、测控杆压力传感器、位移传感器和红千斤顶压力、推移行程、输送 的接触传感器、接近外传感器。机位置和倾斜度、顶梁倾斜 感 传感器、红外线接收 度、岩石压力、采煤机或刨煤 器 器、电磁倾角仪。机位置传感器。 控 没有主控台( m c u ) 口- f i - f设有服务器和控制器。 没有主控台、邻架手动单动作 制以实现邻架操作。操作和邻架自动移架等自动 器动作。 系统软件升级简单，系统软件升级容易。系统软件升级容易。 软 在一台控制器装置上 件 即可刷新。 连一条四芯电缆与相邻一条四芯电缆与相邻支架的连一条四芯电缆与相邻支架的 接支架的连接来实现。接来实现。连接来实现的。 2 5 个控制键的键盘，1 9 个带有显示灯的控制键两2 5 个带有显示灯的控制键， 界 设计了字母数字大型行字母或数字显示，每行1 6两行字母或数字显示，每行 面 电子显示器。个。1 6 个。 通架间通过速率为5 6 k中央和支架间采用的是速率为架问通讯采用b i d ib u s ，全工 信的b i d ib u s 互联成 3 8 4 k p s 总线，全工作面则采用 作面的互联则采用tb u s ，速 网综采面网络。 是p r o f i b u s 总线，总线速率 率均为1 9 2 k b p s 。 络 为9 3 7 5 k b p s 。 系 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 统 方式是为达到本质安全性能所采取的措施，3 种控制器的电源都是采用了本安型电源 供 箱，并分组供电。 电 以下从总体结构上对这3 种电液控制系统进行比较。 9 第2 章电液控制系统的总体设计 l 、玛珂公司的p m 3 l 电液控制系统 玛珂公司的p m 3 1 液压支架电液控制系统总体结构【2 6 】，如图2 4 所示。 工作面1 2 7 v 或2 2 0 va c 电源电路 c 最瓣懒黝 。最猫懒器，专磊。( n 姗- 1 ) 黼尹。燃， ( 最多6 或7 个控制器) 第2 控制嚣组 考! 立。翟烈登謦 第n 个控制器组 ( 最多6 或7 个控制器) 【最多b 鼻】，个性删嚣) ( 最名6 战7 个辑f 制罂) 图中标号说明：支架控制器隔离耦合器双路电源箱总线提升器网络终端器 图2 4p m 31 电液控制系统的总体结构 p m 3 1 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接入 的一个隔离耦合器。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。系统中的网络终端器、总线提升器保证系统正常工作。 2 、d b t 的p m 4 电液控制系统 d b t 的p m 4 电液控制系统的总体结构如图2 5 所示。 图中符号说明：s c u ：支架电液控制器p m 4 图2 5p m 4 电液控制系统的总体结构 1 0 第2 章电液控制系统的总体设计 井下主控制台( 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 】，系统主要有地面中 央控制室、井下主控台、p m 4 服务器、支架控制器、传感器、隔离适配器、电 源适配器、电源等组成【2 7 之9 1 。 3 、e e p 的p r am a t i c 液压支架控制系统 e e p 的p r am a t i c 液压支架控制系统的总体结构 4 6 1 ，如图2 6 所示。 图中符号说明： s c u ：s i n g l e c 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 图2 6p r am a t i c 电液控制系统的总体结构 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【5 3 们。 2 5 电液控制系统硬件设计 2 5 1 系统总体结构 根据上一节对目前流行的3 种电液控制系统的比较分析，并结合本系统的 实际情况，本电液控制系统的总体结构设计如图2 7 。 系统采用双c a n 总线通信，c a n 总线是一种非防爆总线【3 1 1 ，将c a n 总线 应用于本安要求的液压支架电液控制系统首先要解决c a n 总线的防爆问题。据 本安防爆技术要求，解决c a n 总线电气防爆基本有两种方法，一种是统一供电 法即集中供电方式，另一种是隔离供电法。统一供电法就是节点设备的工作电 流和传输电流均由总线供给。隔离供电法是将节点设备的工作电源与传输电源 分隔开，总线仅提供传输电源，而节点工作电源可就地供给。本系统采用分组 隔离供电方式【3 1 - 3 2 1 。 1 第2 章电液控制系统的总体设计 双c 图2 7 系统的总体结构 2 5 2 控制器 根据煤安的本安要求控制器必须是低功耗，通常供电电压不不会大于1 2 v ， 由于工作面的控制器数量较多，控制器之间的通信要求可靠实时，本系统采用 c a n 总线，所以控制器应该带有c a n 总线控制器。另外，根据需要，控制器必 须有至少两路a d ，以满足对支架立柱压力和推移行程的检测。控制系统产品的 更新速度较快，可能遇到控制系统软件产品升级，如果控制器不支持现场升级， 那么把安装在液压支架上的控制器拆下来升级在安装上去是很费力的事情。 根据以上要求，本系统的控制器采用基于l p c 2 2 9 0 工业级微控制器的 m 9 0 8 0 f n u 2 0 ，它带有2 路c a n 通信、c f 卡接口、u s bh o s t 控制器、1 2 8 m 板载电子硬盘f o b ( f l a s ho nb o a r d ) 、4 路a d 转换且电路是低功耗设计。 m 9 0 8 0 f n u 2 0 提供总线保护设计，使该控制器模块在e m c 性能及稳定性方面 均有良好的表现。另外，该控制器是基于a r m 7 t d m i s ，该体系的嵌入式微控 制器的通用软件开发环境a d s l 2 比较容易得到且相关的资料比较多，可以节省 学习软件开发和调试工具的时间。 2 5 3 外围器件 1 、c a n 总线硬件设计 由于l p c 2 2 9 0 工控模块的芯片嵌入有c a n 、i 2 c 总线控制器，只需要设计 c a n 收发器和控制器的接口电路即可以完成系统的通信硬件要求。其接口电路 见图2 8 。 1 2 第2 章电液控制系统的总体设计 两路c a n 接口电路完全是一样的，图中仅以给出其中的一路。c a n 隔离 型的电路由两大部分组成：隔离部分和c a n b u s 驱动器部分。 图2 8 控制电路板上c a n 总线接口电路 为了增强c a n b u s 节点的抗干扰能力，m c u 的c a n b u s 控制器引出端通 过高速光耦( u l o u 1 1 ) 与总线驱动器t j a l 0 5 0 相连，实现了总线上各c a n b u s 节点问的电气隔离。为了使光耦两端的电源完全隔离( c a n lv 与d p 3 v 3 ) ，板 上增加了d c d c 电源隔离模块b 0 5 0 5 - - 1 w ，b 0 5 0 5 - - 1 w 的效虽g 7 0 ，隔离 电压为1 0 0 0 v ，输出功率为0 1 w 1 w 。c o n l 0 为c a n 总线接线端口，c a n h l 接总线的高电平端，c a n l l 接总线的低电平端，总线两端焊接了1 2 0 f l 终端电 阻。 2 、键盘及接口 支架的动作类型和方式以及参数较多，为了操作和参数设置的的方便，本 系统设计了一个有3 9 个按键的键盘。 综合考虑各方面因素，本系统采用1 2 c 接口的z l g 7 2 9 0 键盘芯片，它是广 州周立功单片机发展有限公司设计的带数码管显示驱动及键盘扫描管理的低功 耗芯片。能够直接驱动8 位共阴式数码管( 或6 4 只独立的l e d ) ，同时还可以 扫描管理多达6 4 只按键。其中有8 个按键还可以作为功能键使用。另外 z l g 7 2 9 0 b 内部还设置有连击计数器，能够使键按下后不松手而连续有效。采 用1 2 c 总线方式与微控制器的接口仅需两根信号线。 本系统键盘芯片的接口电路如图2 9 ，z l g 7 2 9 0 芯片通过i 2 c 总线即1 9 、2 0 号引脚连入控制器，由于控制器芯片被为1 2 c 主机，且控制器只需要对按键进行 键值的读取，所以z l g 7 2 9 0 设置为i 2 c 从机，地址为7 1 h ( 读) 。由于没有接数 码管，芯片的工作电流仅为l m a 左右，大大降低了芯片工作的功耗，由于煤矿 1 3 第2 章电液控制系统的总体设计 的电磁环境恶劣，为了使芯片稳定工作，晶振的频率降低到4 m h z 。 图2 9 z l g 7 2 9 0 的应用电路图 本系统只设计了3 9 个按键，所以只利用8 根行线中的6 根，8 根列线全部 用上。其中有些行列线没有配合成按键，按键的行列线的布置如表2 3 所示。表 中各图标都是相关的操作和参数设置按键，其中行号线为4 的一列的功能键含 义依次( 从上到下) 为：收一级护帮板、伸一级护帮板、收二级护帮板、伸二 级护帮板、移架+ 抬底座、移架+ 抬底座+ 升架、补压；行号线为4 的一列的功能 键含义依次( 从上到下) 为：降架、移架、收平衡、收侧护板、升架、推溜、 伸平衡、伸侧护板；行号线为6 的一列列号线为6 的功能键为a s q 按键。 3 、显示及接口 为了方便用户交互操作，本系统设计了显示屏。显示屏采用杭州清远光电 公司的h g 2 4 0 1 2 8 1 b l w h 型号的2 4 0 x1 2 8 分辨率的图形l c m ，其控制器为 东芝的t 6 9 6 3 c 。t 6 9 6 3 c 是一款文字与绘图模式的点矩阵液晶显示( l c d ) 控制器， 可以用在显示文本、图形或文本图形混合显示的模式，因此它可以显示文本、 图形或1 5 8 或1 6 1 6 个点阵汉字。 l c d 的总线操作地址通过译码电路配置，地址总线从0 x 8 2 4 0 0 0 0 开始，其 中0 x 8 2 4 0 0 0 0 0 为数据操作地址，x 8 2 4 0 0 0 2 为命令操作地址。 1 4 笙! 垦生堕型型至丝盟璺壁塑笪 表2 3 键稚膜片按键行州线排布 行线号 l23456 16 l 国圄 2司q72 国 嘲 3 83 国圆 列 4司94 国 同 线 口 05 园圃 丐 s 6臼 取消 圆圈画 78 设置 口 圄圄o 8b 团国 p 2 5 4 传摩器及电源 本电液控制系统的传感器有立柱压力传感器( 2 个) 和推移行程位移传感器 ( 1 个) 。立柱压力位移传感器安装在立柱千斤顶的下腔用来检测立柱压力：位 移传感器安装在推移千斤顶内用来检测支架位移。 1 、压力传感器 采用e e p 公司的p r am a t i c d r u c k s e n s o r 压力传感器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，其相关的主要参数如t 1 3 0 i ： 外壳：铜或不锈钢 长度：3 25 m m 外径：3 0 m m 刺破压力：2 0 0 0 b a r 压力范围：0 1 5 0 b a r 保护：i p 6 7 电源：1 28 v d c 信号输出：05 45 v 0 4 5 0b a r 电流：2 m a 第2 章电液控制系统的总体设计 1 、位移传感器 本文采用e e p 公司的p r am a t i cr e e d s t a bp r l1 6 0 2 0 位移传感器，其参数 为【3 0 】： 外壳：不锈钢铜 环境温度：2 0 。c + 7 0 。c 功能原理：传感器接触 电源：1 2 v d c 信号输出：0 5 4 5 v 分辨率： 6 个指针函数对照表本文不详细介绍，查表结束后就执行对应的功能函数。 键盘任务的流程图见图4 1 。 。 键盘任务根据操作类型分为单架点动、单架起停、单架a s q 、成组操作。 单架点动的功能函数的执行过程是：选定支架后，本架进入主控模式，同 时主控模式机时开始，按下选定的功能键后，发送信号量通知通信任务发送动 作命令给执行架，当按键松开后，点动功能函数发送信号量通知通信任务发送 停止命令给执行架。 单架起停功能函数的执行过程是：选定支架后，本架进入主控模式，同时 主控模式机时开始，按下选定的功能键后，发送信号量通知通信任务发送动作 命令给执行架，当再次按下该功能键时，单架起停功能函数发送信号量通知通 信任务发送动作停止命令给执行架。 单架a s q 功能函数的执行过程：选定支架后，本架进入主控模式，同时主 控模式机时开始，按下选定的功能键后，发送信号量通知通信任务发送动作命 令给执行架，同时动作时间计时开始，当执行架没有在设定的时间内正确执行 完第一步动作( 降架) 时，单架a s q 功能函数通过发送信号量通知通信任务发 送停止命令给执行架，以此类推，移架、升架情况类似。在执行此函数时，如 停止键被按下则通知通信任务发送停止动作命令给执行架。 3 9 第4 章电液控制系统软件设计 图4 1 键盘任务流程图 4 4 通信任务设计 本系统设计了两个通信任务，分别是用于邻架操作的通信任务和用于上位 机轮询的通信任务。 1 、用于邻架操作的通信任务 此通信任务的命令数据发送是通过键盘任务来发送的。任务就绪后首先对 总线的数据进行读取并判断是否是发送给本节点的数据，如是则进行相应的处 理，如不是则由系统进行任务切换并运行已就绪的优先级最高的任务；再由内 核使该任务经过一段时间后进入就绪状态。在通信过程中，接收到命令的支架 必须给操作架反馈信息，具体的通信过程见图4 2 。 第4 章电液控制系统软件设计 接受传巷器数据 星示任务根据数据 显示相应的信息 任务就绪 否是发送给 榘的信息 入 判断信息类嗣 否 命令 蟹巫* 二至三至覃三三三 呱龠令类别 执行单架单动函数 执行成组动作 结束任务 鬟急 调用紧急命令处理 函数 图4 2 邻架操作通信任务流程图 2 、上位机轮询的通信任务 这里仅介绍支架控制器的上位机轮询通信任务，上位机中与此相关的内容 在上位机软件开发中介绍。整个轮询的通信过程如图4 4 。上位机从第一架开始 对整个工作面的支架进行循环访问，当访问到某一支架时，此支架将本架的各 种信息反馈给上位机，如支架出现故障( 不影响安全) ，上位机对故障进行判断 后将设定的操作命令发送给该支架，并等待其反馈，之后进行下一支架的访问。 4 l 勰 数x鬈 第4 章电液控制系统软件设计 支架 上位机 图4