宿太明

（西山煤電股份有限公司西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

近年來隨著科技的發(fā)展，越來越多的新型技術(shù)和概念可以被應(yīng)用到煤炭行業(yè)，其中最為典型的是井下工作面無人開采。這一概念的提出對礦井機(jī)械生產(chǎn)的自動化也提出了更高的要求。而工作面最為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)自動化的便是液壓支架整個的控制系統(tǒng)。目前我國礦井下使用的液壓支架控制器主要依賴進(jìn)口，由于國內(nèi)的同類型產(chǎn)品在自動化程度、可靠性以及穩(wěn)定性方面都無法達(dá)到礦井生產(chǎn)的要求。而進(jìn)口產(chǎn)品又存在許多的局限性，例如：維修不方便、費(fèi)用高、與國產(chǎn)其他設(shè)備兼容性差以及采購周期長等一系列缺點(diǎn)。這嚴(yán)重的限制了我國煤礦行業(yè)的發(fā)展，因此，開發(fā)出一套自動化程度高、穩(wěn)定性好、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液壓支架控制系統(tǒng)便顯的尤為重要，不僅能夠打破國外的壟斷，還能夠?yàn)榈V井下其他設(shè)備的自動化研發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)，為我國煤礦生產(chǎn)的無人值守奠定基礎(chǔ)[1]。

本文基于此設(shè)計(jì)了一套液壓支架端頭控制器，通過功能驗(yàn)證證明其性能穩(wěn)定、安全可靠性良好，能夠應(yīng)用于井下生產(chǎn)。

1 控制器總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可看出整個控制系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成。液壓直接控制器處于最底層，端頭控制器是中間層，最上層是防爆計(jì)算機(jī)[2]。

圖1 液壓支架控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

液壓支架的動作直接由處在最底層的液壓直接控制器控制，液壓支架上的各種傳感器將采集到的信號傳輸?shù)街Ъ芸刂破?。?dāng)端頭控制器在通訊總線上巡檢時(shí)液壓支架控制器將收集到的信息上傳；端頭控制器下發(fā)的動作命令通過液壓支架控制器來控制各個閥門具體執(zhí)行；此外液壓支架控制器還負(fù)責(zé)進(jìn)行控制參數(shù)的修改、以及軟件升級等。

端頭控制器處在整個控制系統(tǒng)的中間層次，是底層與上層信息交互的橋梁。由于端頭控制器的重要性以及礦井生產(chǎn)的穩(wěn)定性要求，所以采用一用一備的方式布置。它們的數(shù)據(jù)也互為備份。其主要功能包括以下幾項(xiàng)：對液壓支架進(jìn)行控制命令下發(fā)；巡檢液壓支架控制器的參數(shù)，以達(dá)到對工作面液壓支架的實(shí)時(shí)監(jiān)控；對液壓支架控制參數(shù)的修改；對液壓支架控制器控制程序進(jìn)行升級；根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置對液壓支架進(jìn)行控制。

處在最上層的是防爆工控機(jī)，其主要功能是將端頭控制器采集上傳的液壓支架各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集、整理和顯示；通過遠(yuǎn)程控制功能對單個液壓支架或者是成組液壓支架進(jìn)行工作控制；對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)修改；向端頭控制器下發(fā)更新程序；查詢工作歷史記錄；端頭控制器控制切換；以及工作面通訊檢測等監(jiān)控功能。

圖2 端頭控制器硬件總體框圖

圖3 RS-485通訊電路原理圖

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件總體框圖

如圖2所示為液壓支架端頭控制器硬件總體框圖。從圖中可以看出本控制器有兩路RS-485通訊模塊，主要用于和上層計(jì)算機(jī)以及下層液壓支架控制器之間實(shí)現(xiàn)通訊。LCD顯示屏方便人際交互。鍵盤電路實(shí)現(xiàn)界面操作和參數(shù)的輸入。聲光報(bào)警模塊用于故障提示；XRAM擴(kuò)充CPU存儲。最后就是CPU組成的最小系統(tǒng)包括震蕩源、下載接口、復(fù)位接口等等[3]。

2.2 CPU選型與硬件資源配置

LPC1788微控制器是NXP公司開發(fā)的基于ARM內(nèi)核的32位微處理器。主頻能夠達(dá)到120 MHz，提供了外部擴(kuò)展SDRAM控制器，內(nèi)部具有512 kB的Flash，4 kB的EEPROM以及32 k的RAM，能夠滿足較大系統(tǒng)的存續(xù)存儲需求。本芯片還提供5個異步串行通訊接口，完全能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求[4]。如表1所示為本系統(tǒng)的CPU資源配置。

表1 LPC1768資源配置

2.3 RS-485通訊電路

端頭控制器主要通過RS-485通訊總線實(shí)現(xiàn)與上層防爆工控機(jī)以及下層液壓支架控制器的通訊。因此RS-485通訊總線的穩(wěn)定性以及通訊能力直接影響到整個液壓支架控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，各種干擾層出不窮，所以要求本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RS-485通訊總線需要具備極強(qiáng)的抗干擾能力[5]。

本系統(tǒng)選用的RS-485通訊模塊型號為TD501D485H-E，是一款在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用比較廣泛的RS-485芯片。該模塊內(nèi)集成了信號隔離電路、電壓隔離電路、通訊驅(qū)動電路以及保護(hù)電路等，不僅簡化了外電路的設(shè)計(jì)，還能夠有效地提高整個通訊系統(tǒng)的抗干擾能力。該模塊的工作電壓為DC5V，還具有靜電保護(hù)功能，在復(fù)雜環(huán)境中最大的通訊節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到256個，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

芯片的電路接口原理圖如圖3所示。其中SMCJ6.SA為TVS二極管，其主要作用是用來抑制電路中瞬時(shí)的電壓變化，起到保護(hù)芯片以及預(yù)防噪音的目的；C84電解電容主要用來對電源進(jìn)行濾波；電容C86和電感L81組成了一個低通濾波器，能夠有效的濾除電路中的高次諧波，消除干擾。

SCIO-A和SCIO-B為發(fā)送和接收的兩根數(shù)據(jù)線接口，為了降低干擾在出口處接入了C15和C14兩個電容；R9，R11的主要作用是限制信號線上電流的大??；U5為三端氣體放電管，主要用來預(yù)防雷擊，起到保護(hù)電路的作用。

圖4 聲光報(bào)警電路原理圖

2.4 聲光報(bào)警電路

煤礦井下工作條件比較復(fù)雜各種噪音粉塵等比較多，所以為了更好地提示故障，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警模塊，通過該模塊的提示能夠及時(shí)提醒工作人員故障的發(fā)生。

如圖4所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警原理圖。圖4（a）為燈光報(bào)警電路原理圖，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)CPU的PJ1口輸出為低電平，此時(shí)NPN三極管為截至狀態(tài)，所以紅色指示燈不亮，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)PJ1口被拉高，此時(shí)NPN三極管導(dǎo)通，紅色指示燈亮。聲音報(bào)警的工作原理如圖4（b），與燈光報(bào)警類似，這里便不再贅述。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體方案

端頭控制器主程序流程圖如圖5所示：由于端頭控制器承擔(dān)的功能比較多，例如：數(shù)據(jù)查詢、支架動作控制、參數(shù)修改、軟件升級等。本系統(tǒng)采用中斷的方式來觸發(fā)子程序的執(zhí)行。中斷子程序分為三種，分別是通訊子程序、鍵盤子程序和定時(shí)器中斷程序。程序首先是進(jìn)行軟硬件的初始化，完成各種功能配置，包括通訊、中斷、定時(shí)、以及I∕O等。當(dāng)有某一個中斷出現(xiàn)后，開始執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，當(dāng)該程序執(zhí)行完畢后中斷返回，等待下一個中斷的發(fā)生。在程序中按功能的重要性程序?qū)⒅袛嘣O(shè)置了相應(yīng)的優(yōu)先級。最高為通訊中斷，最低為定時(shí)器中斷，鍵盤中斷居中[6]。

圖5 端頭控制器主程序流程圖

3.2 支架動作控制程序設(shè)計(jì)

（1）參數(shù)巡檢和判斷程序

參數(shù)的巡檢屬于通訊程序，命令是由端頭控制器下發(fā)的，其中通訊內(nèi)容的組成格式為：支架號+巡檢代碼(04H)+校驗(yàn)位；當(dāng)液壓支架控制器接收到巡檢命令后便會將各項(xiàng)數(shù)據(jù)依次上傳，端頭支架將上傳的信息存儲到指定的位置，如果數(shù)據(jù)傳輸失敗則端頭支架會再次發(fā)送查詢命令，如果連續(xù)三次都失敗則會提示故障，等所有的數(shù)據(jù)收集完畢后將其上傳到防爆工控機(jī)。參數(shù)巡檢程序流程如圖6所示。

（2）控制模式選擇程序

端頭控制器的控制模式有三種分別是：遠(yuǎn)程模式、就地模式和集控模式[7]。三種控制模式的切換程序流程如圖7所示。

圖6 參數(shù)巡檢程序流程圖

圖7 控制模式切換流程圖

4 小結(jié)

本文以液壓支架端頭控制器為研究對象，設(shè)計(jì)了一套液壓支架端頭控制器，主要介紹了該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及硬件和軟件設(shè)計(jì)思路，通過該控制器的設(shè)計(jì)為礦井其他控制器設(shè)計(jì)提供了思路。