一種新型采煤機用端頭站

趙名，　邱錦波

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上?！?00030)

?

一種新型采煤機用端頭站

趙名，邱錦波

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海200030)

摘要：針對現有采煤機用端頭站大多僅有采煤機操控功能、少數產品顯示形式單一的問題，設計了一款帶真彩圖形顯示的新型采煤機用端頭站，介紹了該端頭站的軟、硬件設計方案。該端頭站已在某型號采煤機上試用，結果表明其操作響應速度快，運行可靠，顯示清晰，畫面切換流暢，單個端頭站耗電小于2.5 W。

關鍵詞：采煤機； 端頭站； 真彩圖形顯示

0引言

在采煤機的多種操控方式中，端頭操作控制站(簡稱端頭站)方式因其安裝與操作位置離截割滾筒較近、易于觀察煤巖截割狀況、采用可靠性較高的有線通信方式等，成為重要的采煤機操控方式之一。

目前，國內外采煤機配備的端頭站大多只具有采煤機操控功能，個別帶有顯示功能的產品只能顯示數字、字符等簡單內容。工人通過端頭站操控采煤機時，主要依靠目測觀察采煤機工況，操作存在一定盲目性[1-2]。

筆者針對采煤機使用環境特點，設計了一款具有友好人機交互界面的新型采煤機用端頭站。其具有傳統采煤機端頭站的按鈕操控功能，又可將采煤機的操作指令和工況信息實時顯示在自帶的TFT真彩液晶顯示屏上，提高了工人操作的便利性、準確性及安全性。

1端頭站總體設計要求

(1) 端頭站軟件既可控制采煤機，又能將當前操作指令和采煤機各狀態參數、提示或警告信息等以圖形、數據、文字等形式顯示在端頭站顯示屏上。軟件應滿足要求：① 顯示界面基于GUI圖形用戶界面開發，界面友好、現代化[3-7]，工況數據顯示簡潔明了，適用于井下低照度與粉塵、水霧密集的環境；② 端頭站軟件與采煤機主控系統軟件交互運行穩定可靠，對輸入、輸出響應具有較好的實時性(操作響應延時小于100 ms)。

(2) 端頭站主體防爆型式為本質安全型。

(3) 端頭站采用高速RS485接口與采煤機主控系統互連，內置備用的CAN總線接口，可實現采煤機緊急停止、采高控制、牽引方向與速度控制、聲光報警、數據存取等功能。

(4) 端頭站結構設計滿足采煤機防水、防塵需求，整體防護等級達到IP67[8]。

2端頭站硬件設計

端頭站硬件包括主處理電路、按鈕輸入及報警輸出電路、TFT真彩液晶顯示屏3部分，如圖1所示。電路全部采用本質安全型防爆設計。

圖1　新型端頭站硬件組成

端頭站采用4.75~5.5 V低額定供電電壓，內部處理器及3.3 V以下數字電路由基于MP2128的同步整流型單片開關降壓電路供電，電源轉換效率達95%，開關頻率達3 MHz。與常見的200~300 kHz低開關頻率設計相比，該電路采用的電源回路紋波抑制電容由上百μF減小為10 μF，使得端頭站電路能以較大安全裕量通過本質安全火花試驗。

主處理電路以STM32F429單片機為核心。STM32F429采用帶浮點運算單元的ARM Cortex-M4F內核，其內部集成了TFT液晶屏控制器以及專用的2D圖形加速DMA控制器，可直接連接TFT真彩液晶顯示屏；運行于168 MHz主頻時，其耗電小于0.4 W。STM32F429以數百kbit/s的速率與采煤機主控系統進行數據交互，并處理端頭站控制信號。

TFT真彩液晶顯示屏選用帶LED背光的10.922 cm 24位顯示屏，分辨率為480×272，可實現較精美的交互顯示輸出。低電壓串聯的LED背光燈，配合可軟件調節的PWM背光電路，實現了屏幕亮度與功耗的優化，有助于降低端頭站總功耗。

為了便于端頭站硬件結構分層以及IO擴展，將按鈕輸入及報警輸出部分設計成單獨電路板，由超低功耗單片機STM32L151控制。STM32L151與主處理電路中STM32F429之間通過SCI(Serial Communication Interface，串行通信接口)實現高速互連，簡化了內部電氣連接，有利于量產時組裝調試。

3端頭站軟件設計

端頭站軟件包含底層驅動程序，中間層開源實時操作系統RTOS，上層各類通信、信號處理、控制邏輯分析、GUI圖形顯示及輔助程序等模塊，如圖2所示。

圖2　端頭站軟件組成

端頭站軟件以占用系統資源極低的輕量級開源實時操作系統RTOS為基礎平臺，利用ARM處理器和嵌入式GUI圖形庫進行開發，最大程度地發揮了單片機的處理效率，實現流暢的GUI圖形顯示，保證端頭站操作的實時性與穩定性。

顯示功能基于嵌入式GUI圖形接口軟件庫——emWin開發。顯示界面分為時間顯示區(有操作提示或報警信息時切換為提示區或報警區)和主顯示區(以圖標、圖像、文字、數字編輯框、進度條等形式顯示采煤機操作指令、采煤機采高、牽引速度、位置、電動機參數等)，如圖3所示。

圖3　顯示界面

端頭站軟件設計時需要注意的關鍵問題：

(1) 各功能模塊優先級的合理設定。RTOS采用基于優先級的搶占式任務調度方式，為了使端頭站能夠迅速可靠地對急停、調高等按鈕操作進行反應，將按鈕輸入功能和與采煤機主控系統通信功能置于高優先級。考慮到GUI圖形顯示程序運算量大、耗時較長、不確定性高，且顯示信息大多源于按鈕輸入及采煤機主控系統傳來的數據，將GUI圖形顯示功能置于較低優先級。

(2) 圖像處理。emWin支持顯示BMP,PNG格式的圖像。BMP格式圖像顯示快，且屏幕刷新時僅刷新有像素變化的最小矩形區域，直接輸出占用內存少，缺點是只能以矩形顯示，無法對背景進行透明處理。PNG格式圖像的背景可進行透明處理，美觀性好，缺點是調取時需刷新整個窗口區域，且每個像素輸出時會額外占用4 B內存用于計算同背景像素值，圖像顯示較慢，當內存不足時會出現“死機”現象。為了獲得美觀的圖像顯示效果，端頭站軟件顯示圖像采用PNG格式，將含有PNG格式圖像的部分單獨建立小窗口，浮于主顯示窗口上。STM32F429內存有限，可分配給GUI顯示計算用的內存空間只有176 kB。測試表明，當PNG格式圖像顯示占用內存不超過100 kB時，軟件運行比較可靠。由于PNG格式圖像每個像素輸出時額外占用4 B內存，所以設置含PNG格式圖像的窗口像素不超過25 kB。

(3) 文字處理。井下光線暗，有煤塵和噴霧，可視度較低，因此要選擇醒目的字體和顏色搭配。經反復試驗，選取宋體24號字為主字體，在特定情況下采用少量黑體和19號宋體字；考慮到紅光在黑暗、粉塵、水霧環境中的穿透性強，關鍵文字采用紅色顯示。

(4) 窗口創建、刪除。顯示屏可顯示時間窗口、默認窗口、指令窗口、提示窗口、報警窗口、整機圖形化窗口等。端頭站軟件根據邏輯分析，判斷何時創建、何時刪除哪些窗口，使句柄始終指向正確位置，否則會導致“死機”。

4結語

新型采煤機用端頭站已在某型號采煤機上試用，其操作響應速度快，運行可靠，顯示清晰，人機界面友好，畫面切換流暢，單個端頭站耗電小于2.5 W。

參考文獻：

[1]孫繼平.煤礦信息化與自動化發展趨勢[J].工礦自動化,2015,41(4):1-5.

[2]張申.煤礦自動化發展趨勢[J].工礦自動化,2013,39(2):27-33.

[3]曾瑩.圖形用戶界面和諧設計與發展趨勢[J].中國新技術新產品,2010(17):50．

[4]陳芳,索佳佳.手機軟件界面設計的原則及發展趨勢[J].大眾文藝,2012(23):67-68.

[5]陳滿儒, 張大偉.基于人機界面發展模式的研究及其應用分析[J].包裝工程,2007,28(4):113-115.

[6]焦姣.手機用戶界面設計(UI)及發展趨勢[D].西安:西北大學,2013．

[7]顧炎輝,石瑩.手機人機交互界面設計趨勢探究[J].淮陰工學院學報,2010,19(1):54-57.

[8]何文,朱淑君.手機外殼注射模設計[J]. 模具制造,2009(3):57-59．

趙名，邱錦波.一種新型采煤機用端頭站[J].工礦自動化，2016,42(1)：52-54.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1559.015.html

A new type of terminal operation station for shearer

ZHAO Ming，QIU Jinbo

(Shanghai Branch of Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200030, China)

Abstract:For problems of single shearer control function existed in most terminal operation stations for shearer and single displaying form existed in a few productions, a new type of terminal operation station for shearer with true color graphic display function was designed, and design schemes of software and hardware of the terminal operation station were introduced. The terminal operation station has been applied in a shearer resulting in fast response, reliable operation, clear displaying and smooth picture switching as well as few energy consumption of a single terminal operation station of less than 2.5 W.

Key words:shearer; terminal operation station; true color graphic display

作者簡介：趙名(1978-)，女，黑龍江雞西人，工程師，碩士，現主要從事采煤機電氣控制及傳感器檢測裝置研發工作，E-mail：zm007ok@163.com。

基金項目：天地科技股份有限公司技術創新基金資助項目(KJ-2014-TDSH-03)。

收稿日期：2015-09-10；修回日期：2015-11-28；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD632.1

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:59

文章編號：1671-251X(2016)01-0052-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.015