徐太山，田慕琴，宋建成，許春雨

（1.晉城煤業(yè)集團(tuán)，晉城048006；2.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原030024）

煤炭是我國(guó)一次能源的主體，國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要明確指出，要大力發(fā)展煤炭清潔、高效、安全開(kāi)采和利用技術(shù)，并且將開(kāi)發(fā)高效自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)列為重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題。煤炭綜合機(jī)械化、自動(dòng)化采煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而液壓支架的電液自動(dòng)控制系統(tǒng)又是該環(huán)節(jié)的重要組成部分。液壓支架電液控制系統(tǒng)是集傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓閥控制技術(shù)于一體的綜合控制技術(shù)。自綜采技術(shù)誕生以來(lái)，液壓支架控制技術(shù)一直被國(guó)外所壟斷，特別是德國(guó)的DPT、MARCO、TIEFENBACH、EEP和美國(guó)JOY公司的產(chǎn)品，幾乎占據(jù)了整個(gè)中國(guó)煤炭行業(yè)市場(chǎng)。國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)的先進(jìn)性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和動(dòng)作的可靠性是毋庸置疑的，但價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、配件不及時(shí)，直接影響到煤炭生產(chǎn)成本。特別是其協(xié)議不公開(kāi)、技術(shù)保密、更新速度慢、不適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)代化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)發(fā)展等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著我國(guó)煤炭工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，更成為制約我國(guó)煤炭高效集約化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在電液控制技術(shù)開(kāi)發(fā)方面群雄并起，但是缺乏對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的突破和掌握，目前還沒(méi)有實(shí)用性的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品在市場(chǎng)上占有一席之地。2001年3月，中國(guó)天地集團(tuán)與德國(guó)MARCO公司合資成立了北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，但由于國(guó)外技術(shù)的保密和壟斷，在關(guān)鍵技術(shù)方面還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性突破和進(jìn)展，有很多環(huán)節(jié)還是不得不依靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程仍未完成。在煤礦無(wú)人或少人值守工作面，液壓支架電液控制系統(tǒng)方面的研究更是鮮有報(bào)道。在我國(guó)，每年的煤炭總產(chǎn)量中，大中型礦井占到70%左右，大約需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的液壓支架電液系統(tǒng)，目前僅靠進(jìn)口也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求［1，3］。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)，不僅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，更具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 系統(tǒng)介紹

煤礦無(wú)人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括：地面主機(jī)和集控室主機(jī)對(duì)工作面液壓支架的遠(yuǎn)程控制，地面主機(jī)對(duì)井下液壓支架運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化分析和預(yù)警策略；端頭控制器對(duì)液壓支架的自動(dòng)追機(jī)拉架控制；液壓支架電液控制系統(tǒng)的多層通訊體系，實(shí)現(xiàn)電液控制系統(tǒng)中地面主機(jī)與集控室主機(jī)、集控室主機(jī)與端頭控制器、端頭控制器與間架控制器的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制。

本系統(tǒng)是煤礦無(wú)人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的主控部分，屬遠(yuǎn)程遙控部分。其目的是提供一種煤礦井下工作面液壓支架電液遠(yuǎn)程控制方法，以解決煤礦井下無(wú)人值守工作面液壓支架的電液遠(yuǎn)程控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)煤礦井下工作面無(wú)人值守控制液壓支架的目的。

煤礦無(wú)人值守工作面液壓支架電液遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可對(duì)井下液壓支架的運(yùn)行方式等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄和顯示液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)，保存歷史數(shù)據(jù)，集數(shù)據(jù)記錄、查詢、分析為一體［2］，具有RS485和CANBUS通訊接口功能；通過(guò)PROFIBUS、MODBUS、CANBUS等協(xié)議與井下進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化操作，使煤炭生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，真正做到安全生產(chǎn)。能將各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期記錄，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為事故分析提供第一手資料［4］。

2 液壓支架電液自動(dòng)控制實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)包括間架控制器、端頭控制器、計(jì)算機(jī)（順槽工控機(jī)、地面計(jì)算機(jī)）以及相關(guān)的通訊體系，參見(jiàn)圖1。間架控制器完成支架各種動(dòng)作的控制，它可接收來(lái)自鍵盤(pán)的手動(dòng)控制，還可接收來(lái)自端頭控制器的集中自動(dòng)控制。間架控制器包含2片CPU，一個(gè)為主控系統(tǒng)服務(wù)，另一個(gè)負(fù)責(zé)鍵盤(pán)掃描、液晶屏顯示和左右鄰架通信。2片CPU之間利用SPI通信口通訊，間架控制器之間利用RS485通信傳送架間控制信息。端頭控制器是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)控制的中心環(huán)節(jié)，起著承上啟下的關(guān)鍵作用。它可根據(jù)采煤機(jī)位置控制相應(yīng)液壓支架的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追機(jī)拉架；還可接收來(lái)自順槽工控機(jī)和地面計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程指令，控制液壓支架的動(dòng)作。順槽工控機(jī)與端頭控制器、端頭控制器與間架控制器之間利用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，地面計(jì)算機(jī)需要通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與井下通訊［5］。

2.1 工作面液壓支架遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)煤礦無(wú)人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的地面遠(yuǎn)程遙控功能，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的主控部分，可遠(yuǎn)程發(fā)送液壓支架控制參數(shù)、控制命令和操作命令。傳送的數(shù)據(jù)由圖1的工控機(jī)的串口傳到端頭控制器，也是由它的串口接收，再由它將數(shù)據(jù)整理后由串口以主從模式傳遞給各個(gè)支架控制器的串口。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓支架控制參數(shù)和操作命令遠(yuǎn)程傳輸分控制參數(shù)傳送部分和操作命令傳送部分。要發(fā)送控制參數(shù)，首先將控制參數(shù)鍵入到單行編輯器后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊左半平面的“發(fā)送”。要發(fā)送操作命令，首先要指明動(dòng)作的支架，然后點(diǎn)擊界面上的虛擬鍵盤(pán)，選擇要支架完成的功能，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊右半平面的“發(fā)送”。接到發(fā)送的命令，本系統(tǒng)首先要對(duì)讀入的以字符型表示的控制參數(shù)或操作命令變成整型數(shù)。由于在通訊中要進(jìn)行crc校驗(yàn)，但PowerBuilder沒(méi)有異或功能，所以要將整型數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，利用字符變量實(shí)現(xiàn)異或功能，完成crc校驗(yàn)碼的編制。第二，將地址、命令、讀取寄存器地址、讀取寄存器個(gè)數(shù)、校驗(yàn)碼等以十六進(jìn)制的形式送出去。由于PowerBuilder沒(méi)有十六進(jìn)制數(shù)的表示方法，本系統(tǒng)通過(guò)十進(jìn)制與字符型的變換將數(shù)值先表示成二進(jìn)制的形式，然后再通過(guò)大二進(jìn)制文本變量（blob）將要發(fā)送的數(shù)寫(xiě)到串口。用blob型的變量將數(shù)據(jù)組合：b-mode＝bmode＋blob（CHAR（nn［i］）），當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)為零時(shí)：b-mode＝b-mode＋b-00，這樣執(zhí)行：ole-1.Object.Output＝b-mode將數(shù)據(jù)成功送到串口發(fā)出去。第三，端頭控制器接到命令后，一方面將指令下到對(duì)應(yīng)的支架中，使支架完成要求的功能；另一方面返回應(yīng)答信息，通知工控機(jī)已接收到命令。第四，從串口讀數(shù)據(jù)dd時(shí)，本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)integer（asc（dd））的變換將讀到的數(shù)據(jù)變成適合的算術(shù)形式進(jìn)行計(jì)算。

2.2 工作面液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

在實(shí)際采煤中需要的液壓支架數(shù)隨工作面的不同而不同，一般在120～200架之間，所以在采煤工作前此數(shù)據(jù)將作為參數(shù)由工控機(jī)或端頭控制器傳送給液壓支架控制器。當(dāng)然，工作面液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主界面表示的支架控制器的小塊數(shù)量也要隨這一參數(shù)而變化。圖2是用PowerBuilder文本對(duì)象實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的界面。

在界面上添加RichTextEdit（多文本編輯）控件，它有g(shù)etfocus（得到焦點(diǎn)）和mousemove（鼠標(biāo)移動(dòng)）事件。當(dāng)鼠標(biāo)指在表示支架的RichTextEdit（多文本編輯）控件上時(shí)，鼠標(biāo)移動(dòng)事件發(fā)生，顯示出支架的編號(hào)；若在此控件上雙擊鼠標(biāo)，便彈出一個(gè)窗口，以表格、圖形及曲線等形式顯示此支架的運(yùn)行信息。

由于控制的綜采面支架數(shù)較多，支架的信息也較多，且具有幾百個(gè)RichTextEdit（多文本編輯）控件，不可能逐一對(duì)其進(jìn)行設(shè)置、編程等，因此用宏代換統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，包括隨鼠標(biāo)顯示支架號(hào)，用紅色顯示超限的支架，用閃爍表示處于急停狀態(tài)的支架，等等。

圖2 工作面液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)，小方塊顯示出所指到的支架編號(hào)，若想了解某一支架的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)，可用鼠標(biāo)單擊此編號(hào)的小方塊，便可得到此編號(hào)小方塊代表的支架的狀態(tài)信息，并用圖形形象地表示一級(jí)護(hù)幫、二級(jí)護(hù)幫、急停、噴霧和采煤機(jī)位置等狀態(tài)，或以表格和曲線形式實(shí)時(shí)顯示目前各種物理量，如支架下腔壓力、推移行程和梁端距等模擬量的數(shù)值大小和變化趨勢(shì)。

2.3 液壓支架電液控制系統(tǒng)端頭控制器軟件遠(yuǎn)程在線升級(jí)

升級(jí)代碼從上位機(jī)傳送到端頭控制器后，被存儲(chǔ)在端頭控制器的外部存儲(chǔ)器，之后將在升級(jí)引導(dǎo)程序的引導(dǎo)下，將升級(jí)代碼從外部存儲(chǔ)器寫(xiě)入到端頭控制器CPU的FLASH空間。上位機(jī)首先發(fā)送升級(jí)命令，以查詢端頭控制器有沒(méi)有做好升級(jí)準(zhǔn)備，如果沒(méi)有再重新發(fā)送，直至端頭控制器準(zhǔn)備好。當(dāng)端頭控制器返回已經(jīng)準(zhǔn)備好升級(jí)命令后，上位機(jī)開(kāi)始把升級(jí)代碼分段傳給端頭控制器，直至傳送完畢。當(dāng)代碼傳送完畢后，發(fā)送給端頭控制器版本查詢命令，等待端頭控制器發(fā)送來(lái)的版本號(hào)對(duì)比結(jié)果。如果選擇不升級(jí)則發(fā)送取消升級(jí)命令，完成后結(jié)束。當(dāng)選擇確認(rèn)升級(jí)后，上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)升級(jí)命令，并等待端頭控制器返回指令；當(dāng)返回指令錯(cuò)誤時(shí)，上位機(jī)再次發(fā)送確認(rèn)升級(jí)命令，直到發(fā)送成功。此過(guò)程中的通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，傳送速率選用9 600bit／s，可保證傳送數(shù)據(jù)的正確、可靠。端頭控制器接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的判斷能否接收升級(jí)代碼的命令后，對(duì)自身工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，如果控制器處于忙碌狀態(tài)，將回復(fù)給上位機(jī)端頭控制器處于忙碌狀態(tài)；如果處于空閑狀態(tài)，將回復(fù)上位機(jī)可以接收升級(jí)代碼；并等待上位機(jī)發(fā)來(lái)的升級(jí)代碼；接收升級(jí)代碼后，同時(shí)將升級(jí)代碼存入自身的外部RAM中，直到接收完畢。端頭控制器將跳到升級(jí)引導(dǎo)程序開(kāi)始進(jìn)行程序升級(jí)。間架控制器軟件遠(yuǎn)程在線升級(jí)方法與此雷同，只是要通過(guò)端頭控制器傳輸軟件代碼。

3 功能特點(diǎn)

本系統(tǒng)中采用PowerBuilder作為前端開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)煤礦無(wú)人值守工作面液壓支架電液遠(yuǎn)程控制，它可與任何數(shù)據(jù)庫(kù)連接，適用性很強(qiáng)。由于其具有功能強(qiáng)大的Data Window（數(shù)據(jù)窗口），再加入靈活的SQL語(yǔ)句，為數(shù)據(jù)處理提供了極大的靈活性。PowerBuilder獨(dú)有的數(shù)據(jù)庫(kù)管理特點(diǎn)及與其他外部事物的友好接口功能，能廣泛應(yīng)用其他各方面的資源，如三方控件等等。本系統(tǒng)中就利用了串口通訊、OLE和OLE Database Blob等外部事物功能。以下是在使用PowerBuilder開(kāi)發(fā)過(guò)程中一些關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法［6］。

3.1 宏代換

由于表示的支架數(shù)多，支架的信息也多，小長(zhǎng)方塊的數(shù)量達(dá)600個(gè)或更多，其運(yùn)行的腳本程序不可能一一編制，所需的設(shè)置也不可能逐一進(jìn)行，因此用宏代換實(shí)現(xiàn)。PowerBuilder沒(méi)有實(shí)現(xiàn)宏代換的語(yǔ)句，所以通過(guò)依次識(shí)別RichTextEdit（多文本編輯）控件并結(jié)合窗口函數(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了宏代換的功能，完成了液壓支架的各種功能。宏代換實(shí)現(xiàn)方法如下：

ss＝integer（（w＿jcjc.Width）／（zjs1＋2））

s1＝rte＿1.x

s2＝rte＿201.x

s3＝rte＿401.x

integer li＿count，sss1

integer li＿i，sr1，sr2

li＿count＝upperbound（parent.control［］）

richtextedit sr，srr，srr1，srr2，srr3

FOR li＿i＝ 1TO li＿count

CHOOSE CASE parent.control［li＿i］.typeof（）／／parent代表窗體

case richtextedit?。绻摽丶莚ichtextedit文本

sr＝parent.control［li＿i］／／得到該控件的引用

sss1＝8

sr.width＝ss－sss1

sr1＝len（parent.control［li＿i］.classname（））

sr1＝sr1－4

sr2＝integer（mid（parent.control［li＿i］.classname（），5，sr1））

if sr2＜＝200then

sr.tag＝string（sr2）

if sr2＞（zjs1＋1）then

sr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－1）

else

if sr2＞200and sr2＜＝400then

sr.tag＝string（sr2－200）

if sr2＞（zjs1＋201）then

sr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－200－1）

else

if sr2＞400and sr2＜＝600then

sr.tag＝string（sr2－400）

if sr2＞（zjs1＋401）thensr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－400－1）

end if

end if

end if

end CHOOSE

next

3.2 串口通訊

要完成MODBUS、PROFIBUS和CANBUS等協(xié)議的串口通訊，就要解決如何將十六進(jìn)制數(shù)寫(xiě)到串口。前面提到由于PowerBuilder沒(méi)有十六進(jìn)制數(shù)的表示方法，利用了大二進(jìn)制文本變量來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，實(shí)現(xiàn)了用PowerBuilder完成MODBUS、PROFIBUS和其他等協(xié)議進(jìn)行串口通訊功能，而且通訊速度令人滿意。

3.3 crc校驗(yàn)碼

由于PowerBuilder沒(méi)有異或功能，利用字符變量實(shí)現(xiàn)了異或功能，完成了crc校驗(yàn)碼的編制。

3.4 實(shí)時(shí)圖形的存儲(chǔ)和顯示

本系統(tǒng)能將各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期記錄，包括實(shí)時(shí)圖形、數(shù)據(jù)等。與一般的數(shù)據(jù)管理不同，其圖形非常多，因此，本系統(tǒng)充分利用PowerBuilder中處理圖形的OLE Database Blob功能，將圖形存入數(shù)據(jù)庫(kù)表中的Text字段，非常方便，避免了一般采用圖片占用大量空間的弊端。

本系統(tǒng)能顯示液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)，集數(shù)據(jù)記錄、查詢、分析為一體，能以表格、曲線、直方圖或餅圖等形式直觀地反映整個(gè)數(shù)據(jù)的概況，有較高的智能化水平。

3.5 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

1）對(duì)整個(gè)工作面液壓支架各種運(yùn)行參數(shù)的采集周期小于6s；

2）控制液壓支架動(dòng)作時(shí)間小于200ms；

3）對(duì)液壓支架的控制精度大于98%；

4）在線升級(jí)端頭和支架控制器程序時(shí)間小于250ms；

5）支架數(shù)量可維護(hù)；

6）誤碼率小于10－8。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)有性能優(yōu)良、功能完善、協(xié)議公開(kāi)、易于與其他系統(tǒng)接口等特點(diǎn)，目前已投入試運(yùn)行，并已與礦方達(dá)成協(xié)議。此系統(tǒng)連同一起開(kāi)發(fā)的端頭控制器、間架控制器構(gòu)成的整個(gè)液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)，將被應(yīng)用于即將開(kāi)采的工作面，這是我國(guó)首例自行開(kāi)發(fā)和研制、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)，是集控制、監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程設(shè)置于一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它既可以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)液壓支架的工作，實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制，又能完成無(wú)人值守工作面操作，填補(bǔ)了我國(guó)在液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)的空白，真正實(shí)現(xiàn)了液壓支架電液自動(dòng)控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。

［1］ 韓續(xù)友，煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)及應(yīng)用環(huán)境探析［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，（10）：20-22.

［2］ 張國(guó)軍.PowerBuilder中的數(shù)據(jù)查詢方法綜述［J］.鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（02）：102-105.

［3］ 劉溫暖.液壓支架電液控制系統(tǒng)，煤炭技術(shù)，2009.

［4］ 范立男.SQL Server 2000實(shí)用教程［M］.清華大學(xué)出版社，2004.

［5］ 張愛(ài)絨.基于 Modbus協(xié)議的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成研究與設(shè)計(jì)［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（6）：617-621.

［6］ 宋雷.PowerBuilder10實(shí)例編程百例［M］.清華大學(xué)出版社，2005.

［7］ 孫繼平.煤礦井下變頻器電磁輻射騷擾的研究 ［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（5）：528-530.