馮 博

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)運(yùn)部， 山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

隨著煤炭開(kāi)采自動(dòng)化程度的不斷提升，越來(lái)越多的煤炭企業(yè)開(kāi)始使用煤炭支架控制器來(lái)處理整個(gè)井下自動(dòng)化系統(tǒng)。作為煤礦井下自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，液壓支架控制器在井下開(kāi)采作業(yè)中可以實(shí)現(xiàn)由編程控制的自動(dòng)化處理，機(jī)械化程度高，同時(shí)也可以改善工作人員的環(huán)境，提高生產(chǎn)安全率和生產(chǎn)效率。液壓支架控制系統(tǒng)是通過(guò)協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)[1]，實(shí)現(xiàn)其對(duì)液壓支架控制器本身及其他井下機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的控制，最終達(dá)到井下完全自動(dòng)化處理，無(wú)人值守的目的。

1 液壓支架控制器的介紹

液壓支架控制器由協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)、井上控制主機(jī)、井下控制主機(jī)、井下控制分機(jī)、支架控制和電源組成[2]，其具有遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和系統(tǒng)參數(shù)修改等功能，其控制中心是協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

液壓支架控制器的工作過(guò)程為: 井下的監(jiān)控系統(tǒng)和性能感應(yīng)器等其他設(shè)備在液壓支架工作時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，記錄其工作狀態(tài)，利用監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)分析井下整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。而井下控制主機(jī)和井上控制主機(jī)通過(guò)協(xié)議通信接口[3]（一般使用RS485 和SPI），實(shí)現(xiàn)井下和井上控制室的實(shí)時(shí)連接和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)井下發(fā)生狀況或需要任務(wù)命令時(shí)，井下控制室第一時(shí)間將情況傳往井上控制室，井上控制室根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和協(xié)定程序?qū)κ录蛘呷蝿?wù)命令進(jìn)行處理，再發(fā)往井下，達(dá)到控制目的。此外，根據(jù)不同的工作要求和施工條件，井上控制室可以通過(guò)調(diào)整液壓支架控制器參數(shù)的模式來(lái)適應(yīng)不同的需求，其工作結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，液壓支架控制系統(tǒng)主要部分需要具備的功能為：

圖1 液壓支架控制器結(jié)構(gòu)框圖

1）井上控制主機(jī)：記錄并保存設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的工作需求設(shè)定不同參數(shù)。發(fā)生情況時(shí)，根據(jù)記錄到的信息解決系統(tǒng)需求，對(duì)井下發(fā)出控制命令。

2）井下控制主機(jī)：對(duì)井下工作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將數(shù)據(jù)傳往井上控制主機(jī)，根據(jù)井上控制主機(jī)的命令對(duì)支架控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3）液壓支架控制器：根據(jù)井下控制主機(jī)命令進(jìn)行控制工作，將井下整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的工作狀態(tài)記錄下來(lái)發(fā)往井下控制主機(jī)。

2 液壓支架控制器的設(shè)計(jì)

液壓支架控制器作為井下機(jī)械系統(tǒng)的核心組成部分，為了實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)行功能，設(shè)計(jì)了以下四種工作模式：

1）主控模式：控制主機(jī)選擇某液壓支架控制器進(jìn)入主控模式，該液壓支架控制器進(jìn)入被控制狀態(tài)，不會(huì)處理其他控制器的命令。

2）從控模式：當(dāng)液壓支架控制器處于從控模式，可以接受任何控制器發(fā)來(lái)的工作命令，協(xié)助主控控制器進(jìn)行作業(yè)。

3）空閑模式：該液壓支架控制器處于空閑狀態(tài)，等待接收命令。

4）閉鎖模式:當(dāng)液壓控制器處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，控制器會(huì)停止工作任務(wù)，進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，不接受任何任務(wù)，該模式用于液壓控制器的故障排查和設(shè)備維修。

2.1 液壓支架控制器硬件的設(shè)計(jì)

圖2 液壓支架控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

液壓支架控制器硬件的結(jié)構(gòu)框圖如下頁(yè)圖2所示，主要包括通信接口、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出和電源[4]。電源采用雙路電源，由3.3 V 和5 V 兩種電壓供電。通信接口使用串口協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制器之間的信息交換，中央控制系統(tǒng)則使用RS485 總線進(jìn)行通信和下達(dá)工作命令。采用SPI 總線協(xié)議讀取控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，外擴(kuò)RAM主要用來(lái)保存控制系統(tǒng)工作時(shí)的數(shù)據(jù)。A/D 采樣電路使用傳感器輸出，通過(guò)各個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)合作，支架可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將數(shù)據(jù)傳往控制主機(jī)。開(kāi)關(guān)量的輸入控制按鈕位于各個(gè)控制器的面板上，由傳感器和控制處理系統(tǒng)傳來(lái)的信息將顯示在控制器的屏幕上，根據(jù)不同的工作需求，開(kāi)關(guān)量輸出可以控制液壓支架采取不同工作命令。

2.1.1 輸入信號(hào)的硬件電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述液壓支架控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了外部閉鎖、外部急停、接近開(kāi)關(guān)和保護(hù)四種開(kāi)關(guān)量的輸入信號(hào)。在支架控制中心的面板上，存在正常工作和非正常工作兩種狀態(tài)，其表現(xiàn)為控制面板上控制按鈕的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，按鈕處于按下?tīng)顟B(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，按鈕會(huì)彈起激活外部閉鎖或是在外部急停狀態(tài)發(fā)出警報(bào)。

2.1.2 輸出信號(hào)的硬件電路的設(shè)計(jì)

液壓支架控制器的輸出信號(hào)首先對(duì)電磁先導(dǎo)閥組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[5]，通過(guò)電磁先導(dǎo)閥組控制主控閥組。根據(jù)不同的任務(wù)要求，主控閥組驅(qū)動(dòng)不同的液壓罐進(jìn)行不同的工作任務(wù)。

2.2 液壓支架控制器軟件的設(shè)計(jì)

液壓支架控制器的軟件設(shè)計(jì)可以分為：主控CPU 的模塊初始化程序，包括看門(mén)狗程序、系統(tǒng)計(jì)時(shí)程序和信號(hào)標(biāo)志程序。各個(gè)子模塊的初始化程序，其中包括RS485 通信、SPI 通信、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的處理程序。系統(tǒng)在接通電源后，首先檢查位于主控中心的急停按鈕狀態(tài)，檢查完畢后再檢查外部閉鎖按鈕狀態(tài)。如果這兩個(gè)按鈕有一個(gè)處于按下?tīng)顟B(tài)，則整個(gè)系統(tǒng)停止工作，不能執(zhí)行任何命令。當(dāng)兩個(gè)按鈕都處于正常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)等待中斷信號(hào)，如果檢測(cè)到中斷信號(hào)則執(zhí)行中斷命令。如若沒(méi)有，則繼續(xù)等待，直到出現(xiàn)中斷信號(hào)。

液壓支架控制器軟件編程選用C語(yǔ)言，采用Keil software 公司的Keil uVision3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。對(duì)于系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)（外部急停、外部閉鎖、接近開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)保護(hù)），將四個(gè)輸入信號(hào)都進(jìn)行可視化處理，設(shè)置四個(gè)不同的按鈕位于控制器的面板上。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，控制室操作人員可以及時(shí)按下按鈕停止工作面的生產(chǎn)工作，直到急停命令取消。對(duì)于系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，控制器的支柱在接收到任務(wù)后開(kāi)始液壓升柱，直至支架有一定的支撐力。

3 液壓支架控制器的調(diào)試和應(yīng)用

在完成設(shè)計(jì)后，對(duì)液壓支架控制器進(jìn)行調(diào)試，包括井下控制主機(jī)和10 架液壓支架控制器。

在進(jìn)行液壓支架控制器的調(diào)試時(shí)，按照人為操作為最高級(jí)進(jìn)行控制，即工作人員的手動(dòng)操作優(yōu)先。液壓支架控制器的工作按照工作人員的手動(dòng)操作為主，當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行程序命令時(shí)，工作人員手動(dòng)發(fā)出指令，系統(tǒng)也會(huì)停止工作。當(dāng)系統(tǒng)完全處于程序控制時(shí)，也運(yùn)行良好，各個(gè)部分按上機(jī)位的命令進(jìn)行作業(yè)。

該設(shè)備現(xiàn)由鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)已上市的液壓支架控制器在廣泛的一線生產(chǎn)作業(yè)已取得廣泛好評(píng)，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓支架控制器的工作要求和性能指標(biāo)進(jìn)行分析，得到了該系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)其工作原理，設(shè)計(jì)了液壓支架控制器，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。最后，還對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)試，在調(diào)試實(shí)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了有時(shí)命令太多會(huì)引起控制器進(jìn)入停擺的現(xiàn)象。此外，還存在命令反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)等缺陷，這些都是將來(lái)需要研究的方向。但總得來(lái)說(shuō)，目前該設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)有的煤炭開(kāi)采需求，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。