液压支架电液控制器信号采集系统的设计与试验研究

张明敏 夏 鹏 崔亚斌 刘庸奇 王艳燕

（1.中国矿业大学 （北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西焦煤汾西瑞泰能源集团有限责任公司，山西省晋中市，031500）

液压支架电液控制器信号采集系统的设计与试验研究

张明敏1，2夏 鹏1崔亚斌1刘庸奇1王艳燕1

（1.中国矿业大学 （北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083；2.山西焦煤汾西瑞泰能源集团有限责任公司，山西省晋中市，031500）

阐述了液压支架电液控制技术的发展现状，介绍了液压支架电液控制器的设计和功能结构，详细介绍了电液控制器信号采集系统的硬件和软件设计，试验调试表明，该设计达到了预期的设计要求。

液压支架 电液控制器 信号采集系统 传感器

1 液压支架电液控制技术概述

液压支架电液控制技术是近10年来世界煤炭开采机械化领域的一项引人注目的重大技术突破，是现代高新技术发展的重要成果，电液控制技术的引入使采煤技术从机械化向自动化的转变成为现实。

随着电液控制技术的发展和应用，电液控制系统的功能也越来越完善。信号采集系统是电液控制技术发展过程中新增加的一项重要功能，传感器采集到升降柱压力、拉架和推溜位移以及采煤机的红外信号等信息，再通过数据总线传输到人机界面进行显示，并通过数据转换器传输到主控计算机上进行整个工作面支架电液控制系统的集中监测监控。通过信号采集系统，操作者可以实时掌握整个综采面的运行情况，在无人操作时，液压支架可以根据传感器采集的信号实现自动运行。本文在电液控制器的基础上，设计了液压支架电液控制器信号的采集系统。

2 液压支架电液控制器设计

结合煤矿井下特殊的工况和复杂的应用环境，将液压支架的电液控制器进行了模块化划分，主要分为人机界面、支架控制器和隔离耦合器3个模块，电液控制器功能结构如图1所示。

2.1 人机界面

人机界面是整个系统的遥控器和显示器，用来完成用户按键输入操作、发出控制命令和显示各种信息，设有控制键、动作键和方向键等，其中控制键有急停、脱离总线和选择等功能，动作键有降柱、移架、升柱和推移刮板输送机等功能，方向键有向左和向右的选择功能。

2.2 支架控制器

支架控制器是整个系统的核心，它负责与其他支架控制器的通信、驱动电磁先导阀和获取各路传感器的信息。主要功能为：一是进行功率信号的放大和输出，控制电磁先导阀的开启与关闭；二是传感器信号的采集、处理和传输；三是与其他支架进行CAN总线通信。

2.3 隔离耦合器

隔离耦合器是CAN总线组网的关键设备，因为CAN总线通信距离最长为10 km，网络中节点数最多能有110个，但煤矿现场设备节点多、距离长且供电系统复杂，利用中继器不仅可以提高通信距离和网络的节点数，而且可以连接不同波特率工作下的CAN总线网络，实现电源的隔离和信号的耦合。

3 电液控制器信号采集系统的硬件设计

为了能实时掌握综采工作面的环境情况，对综采工作面的环境进行实时监测是十分必要的。综采面的环境信号主要包括支架立柱的压力、推溜拉架位移、红外信号和瓦斯浓度等等，其中压力、位移和红外信号与液压支架的工作情况紧密相关。

3.1 主控芯片的选型

本文设计的电液控制系统采用的主控芯片是由意法半导体公司生产的STM32系列芯片STM32F105，最高工作频率为72 MHz，最高集成512 KB的Flash存储器和64 KB的SRAM存储器，并有DMA、RTC、独立看门狗、窗口看门狗、Sys Tick定时器、通用定时器、USART、CAN、USB、GPIO、ADC、DAC以及JTAG调试端口等片内外设。STM32F105有两个ADC，功能相同，为了减少编程的难度和降低系统整体功耗，本文只使用一个ADC即可。

3.2 信号调理电路的设计

支架控制器模拟量输入信号有压力信号、位移信号和红外信号3路信号，3路A／D的输入信号都是0～5 V，在进入MCU的ADC口之前经过A／D调理电路转换成0～3 V，所以这3路A／D的调理电路和保护电路相同。模拟量调理电路如图2所示。

图2 模拟量信号调理电路

如图2所示，AIN＿1、AIN＿2和AIN＿3与主控芯片的ADC输入引脚相连进行信号采集。为了保证A／D转换的精度，电阻R46、R43、R49和R52应选用高精度电阻，精度为1%。

在默认情况下使用的传感器输出电压为0～5 V的电压型传感器，但是随着技术的不断进步，电流型传感器的应用越来越广泛，出于今后需要的可能，本文设计了一个跳线 （P3）用来接入电流型传感器。当电流为0～20 m A时，经过一个250Ω的采样电阻就会变成一个0～5 V的电压信号。0～5 V的电压信号经过一个100 nF的电容滤波之后，电压信号会由不断跳变的不稳定信号变为一个相对稳定的信号，并传给运算放大器的输入端。运算放大器组成了一个差分放大的组态来对信号进行衰减，其中，G=R52／R46=0.6。故当输入信号为0～5 V时，输出信号为0～3 V。由于运算放大器组成的差分放大电路的输入电阻很大而输出电阻小，这样能够起到隔离放大的作用，有效防止干扰信号窜入MCU。

3.3 模拟信号通信系统设计

《液压支架操作工操作规程》中明确规定，本架液压支架电液控制器不允许控制本支架，本架电液控制器必须控制本支架的相邻架或相隔架。当进行升降柱时，采集的压力信号应该是相邻架或是相隔架的立柱压力信号，信号需要传输到本架电液控制器上进行显示。支架间通信采用CAN总线进行传输，传感器采集到的信号经过CAN总线传输到相临架或相隔架控制器，再经过RS232传送到人机界面进行信号的显示。模拟信号传输示意图如图3所示。

图3 模拟信号传输示意图

4 电液控制器信号采集系统软件设计

STM32F105拥有2个ADC，并有18个不同的通道，其中16个通道负责外部信号处理，剩下的2个通道负责内部信号处理。各通道的A／D切换执行模式可分为一次性模式、非间断模式、扫描模式和间断模式4种。STM32F105的ADC的最快的转换时间为1μs。如果ADC的时钟超过了14 MHz，就会导致ADC的转换结果失真。

4.1 ADC初始化

（1）开启PA口时钟和ADC1时钟，设置PA1为模拟输入。STM32F105的ADC通道1在PA1上，所以先要使能PORTA的时钟和ADC1时钟，然后设置PA1为模拟输入。使能GPIOA和ADC时钟用RCC＿APB2PeriphClock Cmd函数，设置PA1的输入方式使用GPIO＿Init函数即可。

（2）复位ADC1，同时设置ADC1分频因子。ADC时钟复位的方法为 ADC＿DeInit（ADC1），分频因子要确保ADC1的时钟 （ADCCLK）不要超过14 MHz。本文设置分频因子6位，时钟为72／6=12 MHz。

（3）初始化 ADC1参数，设置ADC1的工作模式以及规则序列的相关信息。这些在库函数中是通过函数ADC＿Init实现的，其定义为：

void ADC＿Init（ADC＿TypeDef＊ ADCx，ADC＿Init TypeDef＊ ADC＿InitStruct）

从函数定义可以看出，第一个参数是指定ADC号，第二个参数跟其他外设初始化一样，同样是通过设置结构体成员变量的值来设定参数。

（4）使能ADC并校准。在设置完了以上信息后，就使能AD转换器，执行复位校准和AD校准，不校准将导致结果不准确。使能指定的ADC的方法为ADC＿Cmd （ADC1，ENABLE），执行复位校准的方法为ADC＿ResetCalibration（ADC1），执行ADC校准的方法为ADC＿Start-Calibration（ADC1）。每次进行校准之后要等待校准结束，通过获取校准状态来判断是否校准和是否结束。

4.2 ADC值的读取

在校准完成之后，ADC准备就绪，设置规则序列1里面的通道、采样顺序以及通道的采样周期，然后启动ADC转换。在转换结束后，将3路传感器的值存储在一个数组中，然后通过CAN总线传输到操作控制器中，再通过RS232通信传输到人机界面进行显示。采样以一定的周期进行，数组中的数值定期被覆盖更新，保证人机界面上显示的始终是传感器的当前值。

5 试验调试

5.1 通信试验

为了能够直观地看到模拟信号在控制器之间的传输，本文在RS232＿RX、RS232＿TX和CAN＿RX、CAN＿TX通信线中设置了二极管，同时专门设计了一个用限流电阻和发光二极管组成的测试工装电路来对当前执行 的动作进行辅助观察。当需要查看传感器当前值时按下查询按钮，此时通信线上的二极管闪烁，测试工装电路的二极管长亮且蜂鸣器响，表明通信正常。

5.2 显示试验

在传感器处于工作状态期间按下查询按钮时，控制器会将调试的结果显示出来，当按下升柱键或降柱键时，人机界面上显示当前的立柱的压力信号，当按下拉架或者推溜键时，人机界面上显示推移千斤顶的位移。控制器信号采集试验显示结果如图4所示。

图4 控制器信号采集试验显示结果

［1］程居山 .矿山机械 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1997

［2］王国法，朱军，张良等 .液压支架电液控制系统的分析和展望 ［J］.煤矿开采，2000（6）

［3］王瑞福 .单片机测控系统大全 ［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999

［4］张雪锋.SAC型液压支架电液控制系统在耿村煤矿的应用 ［J］.中国煤炭，2012（12）

［5］曹犇.国产液压支架的研制与发展 ［J］.中国煤炭，1998（9）

Design and test of signal acquisition system about hydraulic support electro-hydraulic controller

Zhang Mingmin1，2，Xia Peng1，Cui Yabin1，Liu Yongqi1，Wang Yanyan1
（1.School of Mechanic Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，
Haidian，Beijing 100083，China；2.Fenxi Ruitai Coal Investment Co.，Ltd.，Shanxi Coking Coal Group Co.，Ltd.，Jinzhong，Shanxi 031500，China）

The current situation of the development of electro-hydraulic control technology about hydraulic support was expounded，and the design and the structural function of the electrohydraulic controller for hydraulic support was introduced.In addition，the design of hardware and software of signal acquisition system of electro-hydraulic controller was introduced in detail，and then debugging test showed that the design has reached desired requirements.

hydraulic support，electro-hydraulic controller，signal acquisition system，sensor

TD67

A

张明敏 （1963-），男，山西吕梁人，高级工程师，中国矿业大学 （北京）机电与信息工程学院在职博士生，山西焦煤汾西瑞泰能源集团有限责任公司党委书记。

（责任编辑 路 强）