甄智強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架是煤礦綜采面非常重要的支護(hù)設(shè)備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，液壓支架的控制方式已從傳統(tǒng)的人工手動(dòng)控制升級(jí)為電液控制系統(tǒng)控制，在提高液壓支架在工作面自動(dòng)化水平的同時(shí)，也極大地提高了井下的采煤效率和安全性。但目前大部分井下電液控制系統(tǒng)仍然采用有線電纜進(jìn)行鄰架液壓支架之間的數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)場(chǎng)安裝不方便，并且隨著相關(guān)設(shè)備的不斷擴(kuò)展，帶來了布線困難的問題；在支架移動(dòng)過程中，由于工作面環(huán)境較為惡劣，有線電纜長期磨損，極易被扯斷，進(jìn)而影響了通信信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕煌瑫r(shí)有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限[1]。綜上所述，有線網(wǎng)絡(luò)在液壓支架電液控制中慢慢表現(xiàn)出一定的不足，為綜采面液壓支架的工作留下了重大隱患。

因此，本文基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了一套以無線通信技術(shù)為主，有線通信網(wǎng)絡(luò)為輔的液壓支架電液控制系統(tǒng)，井下鄰架控制器之間皆采用ZigBee 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)利用CAN 總線方式與井下上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)借助工業(yè)以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行對(duì)接。

1 電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局整體方案設(shè)計(jì)

圖1 所示為設(shè)計(jì)的液壓支架電液控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建方案。整個(gè)系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、井下上位機(jī)、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)支架控制器組成。

圖1 電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局整體方案

其中，地面監(jiān)控中心由監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控備機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成，負(fù)責(zé)將工作面液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)信息、工況參數(shù)等實(shí)時(shí)顯示在大屏幕上，為工作人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表生成、指令下達(dá)等功能；井下上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行智能分析處理和故障診斷，下達(dá)控制指令同時(shí)上傳監(jiān)測(cè)信息，地面監(jiān)控中心和井下上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行雙向通信；協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)支架控制器之間組建ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，支架控制器中嵌入ZigBee 通信電路，三者以ZigBee 樹狀結(jié)構(gòu)連接通信，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的最終匯聚點(diǎn)，監(jiān)測(cè)信息皆通過此節(jié)點(diǎn)以CAN 總線通信方式與井下上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件部分方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 液壓支架控制器方案設(shè)計(jì)

圖2 支架控制器硬件框圖

下頁圖2 所示為單個(gè)支架控制器的硬件設(shè)計(jì)框圖。支架控制器由主控制器、聲光報(bào)警裝置、液晶顯示屏、按鍵輸入模塊、ZigBee 通信電路、電源管理模塊、壓力傳感器、位移傳感器、紅外傳感器、急停模塊、閉鎖模塊、電磁先導(dǎo)閥及驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路等組成。ZigBee 通信電路負(fù)責(zé)與路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸；壓力傳感器和位移傳感器負(fù)責(zé)對(duì)液壓支架的工況信息進(jìn)行檢測(cè)，紅外傳感器負(fù)責(zé)確認(rèn)采煤機(jī)的移動(dòng)位置，為液壓支架的跟機(jī)自動(dòng)化提供信息參考，信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。

2.2 主控制器選型

考慮到井下液壓支架工作的連續(xù)性，選用的主控制器必須要保證低功耗，以保障支架控制器工作的持久性，液壓支架電液控制器內(nèi)嵌入了ZigBee 通信電路，兩者之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為此，選用TI 公司的MSP 系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)功能強(qiáng)大、操作簡單、運(yùn)行功耗低，非常適合[2]。具體選用型號(hào)為MSP430F5438 單片機(jī)。MSP430F5438 主控制器的功能包括：接收來自傳感器的檢測(cè)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析處理、故障診斷；下達(dá)液壓支架的動(dòng)作控制指令；支持多種通信方式，完成與不同對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.3 傳感器檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與選型

數(shù)據(jù)采集對(duì)液壓支架電液自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)具有重要作用。系統(tǒng)采用了位移傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[3]。其中，采用位移傳感器測(cè)量液壓支架推移行程，傳感器具體型號(hào)為GUC1200，將其安裝于推移油缸活塞桿處；采用壓力傳感器對(duì)支架立柱下腔壓力進(jìn)行檢測(cè)，傳感器具體型號(hào)為GPD60；采用紅外傳感器主要用于實(shí)現(xiàn)井下支架的跟機(jī)自動(dòng)化控制，傳感器選用GUH5-F 型紅外發(fā)射器和GUH5-S 型紅外接收器，將發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，接收器安裝在液壓支架上，液壓支架通過接收器和主控制器來獲得采煤機(jī)的運(yùn)行位置。

2.4 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及嵌入支架控制器的ZigBee 通信電路構(gòu)建，ZigBee 模塊皆采用集成的CC2530 模塊。該模塊傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)250 m，擁有21 個(gè)通用I/O 引腳，并且支持串口間的不間斷發(fā)送以及雙向同時(shí)收發(fā)。

2.4.1 支架控制器ZigBee 通信電路

圖3 所示為MSP430 主控制器與CC2530 模塊之間的連接示意圖。兩者通過URAT 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將兩者之間的電源接口以及地進(jìn)行共接，同時(shí)將 MSP430 的 TX、RX 和 CC2530 的 RX、TX 分別相連。

圖3 MSP430 與CC2530 模塊連接示意圖

2.4.2 路由器節(jié)點(diǎn)

路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將每一個(gè)液壓支架控制器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部匯總，經(jīng)過自身數(shù)據(jù)融合以多跳的方式將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。圖4 所示為路由器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 路由器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)

2.4.3 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)是ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)與CAN 總線有線網(wǎng)絡(luò)的橋梁，可將ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為CAN 總線通信協(xié)議，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。圖5 所示為協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成框圖。圖中的CAN 總線通信模塊由LPC2119 控制器和TJA1050 總線驅(qū)動(dòng)器組成，具有抗電磁輻射和電磁干擾的能力。

圖5 協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成框圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

針對(duì)MSP430 單片機(jī)，采用IAR 公司開發(fā)的IAR EW430 軟件對(duì)其進(jìn)行程序開發(fā)。該款軟件是瑞典IAR System 公司開發(fā)的，專用于MSP430 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，功能強(qiáng)大，可在Windows 系統(tǒng)上平穩(wěn)運(yùn)行，大大提高了項(xiàng)目的開發(fā)效率[3]。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對(duì)下位機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主程序、鍵盤輸入子程序、聲光報(bào)警子程序、液晶顯示子程序、ZigBee 無線通信子程序、路由節(jié)點(diǎn)子程序、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)子程序、急停閉鎖子程序、控制模式選擇子程序、傳感器信心采集子程序、控制操作下達(dá)子程序、自動(dòng)補(bǔ)液子程序等。圖6 所示為支架控制器ZigBee 無線通信電路子程序流程框圖。

4 結(jié)論

為了提高液壓支架電液控制系統(tǒng)信息交互的穩(wěn)定性和可靠性，將ZigBee 無線通信技術(shù)引入電液控制系統(tǒng)中，取代了傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式?；赯igBee無線技術(shù)設(shè)計(jì)的電液控制系統(tǒng)可及時(shí)為井下上位機(jī)和地面監(jiān)控中心上傳液壓支架的工況信息及運(yùn)行狀態(tài)，為支架的單架及成組控制、自動(dòng)補(bǔ)液等功能提供閉環(huán)反饋參考，同時(shí)ZigBee 無線技術(shù)優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)，功耗低、可靠性高，且安裝維護(hù)成本低，在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的效果。

圖6 支架控制器ZigBee 通信子程序流程框圖