綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)計(jì)

姚鈺鵬

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京　100013)

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綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)計(jì)

姚鈺鵬

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京100013)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有工作面綜采自動(dòng)化系統(tǒng)以人工操作控制器為主要控制手段，采場(chǎng)需保證較多工作人員在場(chǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)。該操作臺(tái)通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)和函數(shù)完成遠(yuǎn)程控制邏輯功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面支架單動(dòng)、成組及跟機(jī)隨動(dòng)動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控主機(jī)信息采集，促進(jìn)了無(wú)人化開(kāi)采的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：綜采自動(dòng)化； 支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)； 遠(yuǎn)程控制； 信息采集； 無(wú)人化開(kāi)采

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0904.005.html

0引言

目前我國(guó)煤礦安全形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，綜采工作面事故高發(fā)。在環(huán)境危險(xiǎn)、惡劣的綜采工作面實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人開(kāi)采，直接減少采煤工作面的人員數(shù)量是減少人員傷亡、保障安全的重要手段[1]。由發(fā)生事故后被動(dòng)的人員救險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)減少井下工人數(shù)量已在業(yè)內(nèi)形成了共識(shí)，即無(wú)人則安。近年來(lái)，在實(shí)現(xiàn)綜采無(wú)人化方面取得了一些突破，取得了一批綜采自動(dòng)化和智能化技術(shù)創(chuàng)新成果，一些礦井實(shí)現(xiàn)了綜采工作面少人化[2-5]。要達(dá)到少人或無(wú)人開(kāi)采，將人員從工作面解放到工作面巷道監(jiān)控中心或地面，就需要綜采系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程操控功能。本文設(shè)計(jì)了具有獨(dú)立控制核心、可與工作面和監(jiān)控中心實(shí)時(shí)通信的支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工作面巷道監(jiān)控中心成套裝備“一鍵啟停”，提升了綜采自動(dòng)化系統(tǒng)安全可靠程度。遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)了綜采系統(tǒng)取代井下工人的目標(biāo)，從根本上保障了煤炭開(kāi)采的安全、綠色和高效。

1綜采自動(dòng)化系統(tǒng)概況

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜采自動(dòng)化系統(tǒng)集成了自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電氣防爆技術(shù)、液壓技術(shù)、流體控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)C采工作面液壓支架實(shí)施多功能、自動(dòng)化控制，是集電子、液壓控制為一體的成套控制設(shè)備，可控制全工作面的液壓支架[6]。整個(gè)系統(tǒng)由工作面支架電液控制系統(tǒng)、工作面巷道監(jiān)控系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)分析與調(diào)度系統(tǒng)3個(gè)層次組成，如圖1所示。

圖1　綜采自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2系統(tǒng)原理

支架電液控制系統(tǒng)以支架控制器為核心，以檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳感器和由動(dòng)作執(zhí)行環(huán)節(jié)的電磁先導(dǎo)閥和液控主閥組成的閥組為輔助設(shè)備，組成一個(gè)最小支架控制單元[7]。支架控制器的內(nèi)嵌操作系統(tǒng)一方面通過(guò)傳感系統(tǒng)完成工況、環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集，另一方面通過(guò)按鍵操作發(fā)出命令，執(zhí)行支架的全部動(dòng)作。每個(gè)支架控制單元之間以單線CAN總線技術(shù)互相連接成為一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成第1層次的工作面支架電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制器間的數(shù)據(jù)通信。第2個(gè)層次是巷道監(jiān)控主機(jī)與工作面支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器連接，形成上位機(jī)形式的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面支架電液控制系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控。第3個(gè)層次是地面計(jì)算機(jī)與井下巷道監(jiān)控主機(jī)通過(guò)井下交換機(jī)連接，在地面完成數(shù)據(jù)分析，形成網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)。

1.3系統(tǒng)功能

工作面綜采自動(dòng)化系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)綜采信息數(shù)據(jù)采集、單動(dòng)動(dòng)作控制、成組自動(dòng)控制、跟機(jī)自動(dòng)控制等功能。綜采信息數(shù)據(jù)是系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)控制功能的依據(jù)，單動(dòng)動(dòng)作控制是系統(tǒng)自動(dòng)控制功能的初級(jí)功能；成組自動(dòng)控制是建立在鄰架自動(dòng)控制功能基礎(chǔ)上的中級(jí)控制功能，實(shí)現(xiàn)小組內(nèi)支架的序列化動(dòng)作；跟機(jī)自動(dòng)化控制功能是綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)全工作面的自動(dòng)化操作。同時(shí)，系統(tǒng)還具有保障工作面安全的閉鎖、緊急停止、動(dòng)作預(yù)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)壓、帶壓移架等功能。

信息數(shù)據(jù)采集功能包括支架上各傳感器檢測(cè)反饋和云臺(tái)攝像儀的視頻采集。傳感器反饋值主要用于控制器對(duì)支架的反饋控制；而云臺(tái)攝像儀的視頻信息則傳輸至工作面巷道監(jiān)控中心，配合支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)完成工作面巷道的監(jiān)控一體化。

支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)通過(guò)綜采自動(dòng)化系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)反饋來(lái)獲取工作面工況，將實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻作為依據(jù)來(lái)操控操作臺(tái)，完成支架遠(yuǎn)程控制。

2支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1硬件實(shí)現(xiàn)

支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)的核心控制模塊采用M2378-CFNS20I工業(yè)控制核心板，其集成了LPC2378微控制器最小系統(tǒng)作為操作臺(tái)的主控CPU；硬件電路具有工業(yè)級(jí)的物理層芯片、復(fù)位電路以及12 MHz工業(yè)級(jí)有源晶振，保證了控制核心模塊的穩(wěn)定可靠；集成2 MB的數(shù)據(jù)Flash，保障了足夠空間以供應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)擴(kuò)展。遠(yuǎn)程操作臺(tái)的核心功能實(shí)現(xiàn)需要穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)通信模塊支持，本設(shè)計(jì)所選模塊在通信方面具有雙路CAN-bus接口，可實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)與信號(hào)轉(zhuǎn)換器之間實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸；3路高速I2C總線與EEPROM存儲(chǔ)單元形成了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度范圍為0～400 kbit/s；而內(nèi)置URAT控制器用于支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)與監(jiān)控主機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，使操作臺(tái)具有向上發(fā)送工作面情況、向下指導(dǎo)工作面動(dòng)作和自身數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整通信體系。支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)面板如圖所示。

2.2軟件實(shí)現(xiàn)

綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)在以ARM7為核心的控制模塊上，通過(guò)μC/OSⅡ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成軟件功能。根據(jù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)搶占式的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)合理排序，操作臺(tái)軟件可穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)所有功能。支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)軟件設(shè)計(jì)依功能可分為按鍵處理及顯示、安全保護(hù)和操作臺(tái)通信3個(gè)部分，軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2　支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)軟件架構(gòu)

2.2.1按鍵處理及顯示

由于支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)需要具備可控制全工作面中間架的單動(dòng)動(dòng)作和成組動(dòng)作的能力，故其面板功能齊全，按鍵較多。因此，按鍵處理程序?qū)⒉僮髋_(tái)按鍵依面板排布順序劃分為4個(gè)區(qū)域，便于對(duì)不同功能按鍵進(jìn)行不同類別的處理。第1和第3區(qū)域?yàn)閱蝿?dòng)動(dòng)作按鍵，如圖3所示，當(dāng)按鍵觸發(fā)后，信號(hào)通過(guò)I/O口傳遞到控制核心，軟件通過(guò)按鍵掃描程序?qū)⑾鄳?yīng)鍵值變量置位，之后再通過(guò)庫(kù)文件中按鍵與動(dòng)作閾值對(duì)應(yīng)關(guān)系將所觸發(fā)按鍵的動(dòng)作閾值傳遞到CAN通信環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單動(dòng)按鍵處理。

圖3　單動(dòng)動(dòng)作按鍵

第2區(qū)域?yàn)轭A(yù)留備用功能和視頻切換功能按鍵，按鍵觸發(fā)后操作臺(tái)將相關(guān)命令通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面綜采情況的監(jiān)視。第4區(qū)域?yàn)楣δ軉⑼＜俺山M動(dòng)作與數(shù)字選擇復(fù)用按鍵，如圖4所示。

圖4　第4區(qū)域按鍵

程序根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻操作臺(tái)功能執(zhí)行所處環(huán)節(jié)而選擇相應(yīng)類型的按鍵含義，功能選擇設(shè)置見(jiàn)表1。

不同于單動(dòng)按鍵處理，成組動(dòng)作啟動(dòng)按鍵觸發(fā)后，程序會(huì)將庫(kù)文件中與所選成組動(dòng)作對(duì)應(yīng)的命令碼置入通信幀中，再傳遞到CAN通信環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)成組按鍵處理。

表1　數(shù)字按鍵區(qū)域功能選擇

2.2.2支架安全保護(hù)

綜采工作面的高度機(jī)械化也帶來(lái)一定安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)采場(chǎng)人員較多時(shí)，機(jī)械可能會(huì)影響人員活動(dòng)甚至造成危險(xiǎn)，因此，對(duì)工作面電液控制系統(tǒng)動(dòng)作的有效把控至關(guān)重要。支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)軟件上設(shè)計(jì)了急停、閉鎖和停止功能，分別對(duì)應(yīng)緊急停止全工作面、鎖定操作臺(tái)控制和停止當(dāng)前動(dòng)作的安全需求。急停功能單獨(dú)設(shè)計(jì)為操作系統(tǒng)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，當(dāng)操作板上急停按鈕按下后，便立即執(zhí)行急停動(dòng)作，通過(guò)CAN總線向信號(hào)轉(zhuǎn)換器發(fā)送急停信號(hào)，再立即轉(zhuǎn)發(fā)到工作面控制器通信總線，使全工作面立即急停。為保證急停信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤傳出，設(shè)計(jì)1次急停信號(hào)在10 ms內(nèi)由1號(hào)架和2號(hào)架交替轉(zhuǎn)發(fā)2次，避免了由信號(hào)干擾造成的1次信號(hào)傳遞失敗的情況。操作臺(tái)處于閉鎖狀態(tài)設(shè)定為無(wú)授權(quán)模式，需要輸入密碼、經(jīng)主機(jī)授權(quán)后才能由閉鎖切換到其他控制檔位。而停止功能觸發(fā)前記錄操作臺(tái)控制的動(dòng)作架號(hào)，觸發(fā)后僅發(fā)送停止信號(hào)到記錄架號(hào)，操作臺(tái)既可有效停止自身操控的支架，也可避免停止工作面其他支架，保證了其操控的精確性。支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)的3類安全保護(hù)功能保障了工作面綜采安全指標(biāo)，啟停一體化實(shí)現(xiàn)了工作面少人或無(wú)人化生產(chǎn)。

2.2.3操作臺(tái)通信

支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)作為綜采自動(dòng)化系統(tǒng)的中間層執(zhí)行單元，與上下層的通信為其主要功能。軟件上分別設(shè)計(jì)操作臺(tái)與主機(jī)的232通信架構(gòu)和操作臺(tái)與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的CAN通信架構(gòu)。其中232通信包含4 byte幀頭數(shù)據(jù)、28 byte數(shù)據(jù)和2 byte CRC校驗(yàn)信息，通過(guò)UART寫(xiě)入函數(shù)發(fā)出，由監(jiān)控主機(jī)接收，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)上位機(jī)對(duì)信息的采集；同時(shí)，由UART接收函數(shù)獲取主機(jī)下發(fā)的授權(quán)數(shù)據(jù)幀，用于獲取操作臺(tái)密碼校驗(yàn)成功后的控制權(quán)。而CAN通信是由指令發(fā)送任務(wù)與參數(shù)查詢發(fā)送及接收配對(duì)任務(wù)所組成，指令發(fā)送任務(wù)負(fù)責(zé)將動(dòng)作指令和安全指令發(fā)送給信號(hào)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)核心控制功能；參數(shù)查詢配對(duì)任務(wù)負(fù)責(zé)在一定周期內(nèi)查詢并獲取工作面各動(dòng)作參數(shù)。操作臺(tái)軟件還設(shè)計(jì)了EEPROM讀寫(xiě)功能，可將獲取到的重要參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM硬件模塊上，實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)參數(shù)數(shù)據(jù)的獨(dú)立斷電存儲(chǔ)。支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)通信功能如圖5所示。

圖5　支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)通信功能

2.3控制功能實(shí)現(xiàn)

支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單動(dòng)操作、遠(yuǎn)程成組操作和遠(yuǎn)程跟機(jī)隨動(dòng)功能的啟停安全操控。單動(dòng)即單個(gè)支架的動(dòng)作控制功能，通過(guò)單動(dòng)按鍵來(lái)觸發(fā)，用數(shù)字鍵選擇可單動(dòng)區(qū)域內(nèi)的任意架號(hào)，確定后工作面上相應(yīng)架號(hào)的控制器即進(jìn)入單動(dòng)預(yù)警狀態(tài)。在預(yù)警狀態(tài)下，按下操作臺(tái)單動(dòng)區(qū)域按鍵即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)動(dòng)作，按鍵抬起后動(dòng)作停止，完成遠(yuǎn)程單動(dòng)動(dòng)作操作。成組功能即多個(gè)支架按一定順序進(jìn)行動(dòng)作，通過(guò)成組左鍵或右鍵觸發(fā)成組動(dòng)作起始架號(hào)選擇，以起始架號(hào)支架為基準(zhǔn)，向左或向右連續(xù)相鄰的數(shù)量為成組范圍的支架根據(jù)控制邏輯進(jìn)行動(dòng)作。跟機(jī)隨動(dòng)功能是指當(dāng)工作面支架處于跟機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程干預(yù)，按鍵選擇干預(yù)起始架號(hào)，可執(zhí)行單動(dòng)和成組隨動(dòng)動(dòng)作。

對(duì)于上述各功能，在某一動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中均可通過(guò)急停和停止按鍵來(lái)遠(yuǎn)程停止支架動(dòng)作。其中急停按鍵觸發(fā)全工作面急停，可實(shí)現(xiàn)任意狀況下全工作面的遠(yuǎn)程一鍵啟停；停止按鍵可立即停止由操作臺(tái)操控的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)常規(guī)工況下對(duì)工作面的精確啟停控制；同時(shí)設(shè)計(jì)閉鎖檔位，可將操作臺(tái)面板上各動(dòng)作按鍵鎖定為操作無(wú)效。3種安全功能設(shè)計(jì)全面保障了支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)工作面操控的安全性。

3結(jié)語(yǔ)

綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)，通過(guò)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)邏輯功能，并將其搭載到M2378-CFNS20I工業(yè)控制核心板上，組成操作臺(tái)軟硬件控制核心單元。操作臺(tái)可將經(jīng)邏輯處理后的控制信息通過(guò)CAN總線和232串口分別發(fā)送給工作面信號(hào)轉(zhuǎn)換器和監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面支架的遠(yuǎn)程操作，包括單動(dòng)、成組及跟機(jī)隨動(dòng)動(dòng)作，系統(tǒng)具有急停、停止和閉鎖的安全操控功能以及監(jiān)控主機(jī)信息采集功能。目前，該支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)已在某些煤礦綜采工作面投入使用，成功將綜采人工操作從工作面轉(zhuǎn)移到監(jiān)控中心，提升了綜采自動(dòng)化程度及無(wú)人化開(kāi)采水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫繼平.煤礦自動(dòng)化與信息化技術(shù)回顧與展望[J].工礦自動(dòng)化,2010,36(6):26-30.

[2]王國(guó)法.綜采自動(dòng)化智能化無(wú)人化成套技術(shù)與裝備發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(9):30-34.

[3]付國(guó)軍,楊明亮,許太山.綜采無(wú)人工作面的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法的構(gòu)想[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(1): 39-42.

[4]王金華,黃樂(lè)亭,李首濱,等.綜采工作面智能化技術(shù)與裝備的發(fā)展[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8):1418-1423.

[5]張良,李首濱,黃曾華,等.煤礦綜采工作面無(wú)人化開(kāi)采的內(nèi)涵與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(9):26-29.

[6]田成金,魏文艷,朱小林.基于SAC型液壓支架電液控制系統(tǒng)的跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采,2012,17(2):46-50.

[7]李首濱.國(guó)產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(1):53-56.

Design of remote operating station of support of fully-mechanized automation system

YAO Yupeng

(Beijing Tiandi-Marco Electronic-Hydraulic Control System Company Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:In view of the problem that existing fully-mechanized automation system of working face takes manual operation means as main control means which needs more staff present, a remote operating station of support of fully-mechanized automation system was designed. The operating station completes logic functions of remote control through real-time operating system tasks and functions, achieves remote control of single action, group and machine following actuation of working face and information collection of monitoring host, which promotes realization of unmanned mining.

Key words:fully-mechanized automation; remote operating station of support; remote control; information collection; unmanned mining

作者簡(jiǎn)介：姚鈺鵬(1989-)，男，河北定州人，助理工程師，碩士，從事嵌入式軟件研發(fā)工作，E-mail:strocyao@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA06A410)。

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2016-02-25；責(zé)任編輯：胡嫻。

中圖分類號(hào)：TD355.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 09:04

文章編號(hào)：1671-251X(2016)04-0019-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.005

姚鈺鵬.綜采自動(dòng)化系統(tǒng)支架遠(yuǎn)程操作臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：19-22.