液壓支架控制器的設計與實現(xiàn)

馮 博

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司機運部， 山西 昔陽 045300）

引言

隨著煤炭開采自動化程度的不斷提升，越來越多的煤炭企業(yè)開始使用煤炭支架控制器來處理整個井下自動化系統(tǒng)。作為煤礦井下自動化控制系統(tǒng)的核心，液壓支架控制器在井下開采作業(yè)中可以實現(xiàn)由編程控制的自動化處理，機械化程度高，同時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)是通過協(xié)議的通信網(wǎng)絡[1]，實現(xiàn)其對液壓支架控制器本身及其他井下機械自動化設備的控制，最終達到井下完全自動化處理，無人值守的目的。

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、井上控制主機、井下控制主機、井下控制分機、支架控制和電源組成[2]，其具有遠程控制、實時監(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)絡系統(tǒng)。

液壓支架控制器的工作過程為: 井下的監(jiān)控系統(tǒng)和性能感應器等其他設備在液壓支架工作時進行監(jiān)控，記錄其工作狀態(tài)，利用監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)分析井下整個系統(tǒng)的運行狀況。而井下控制主機和井上控制主機通過協(xié)議通信接口[3]（一般使用RS485 和SPI），實現(xiàn)井下和井上控制室的實時連接和數(shù)據(jù)傳輸。當井下發(fā)生狀況或需要任務命令時，井下控制室第一時間將情況傳往井上控制室，井上控制室根據(jù)經(jīng)驗和協(xié)定程序對事件或者任務命令進行處理，再發(fā)往井下，達到控制目的。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調整液壓支架控制器參數(shù)的模式來適應不同的需求，其工作結構框圖如圖1 所示。

為了實現(xiàn)實時監(jiān)控和遠程控制，液壓支架控制系統(tǒng)主要部分需要具備的功能為：

圖1 液壓支架控制器結構框圖

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

2）井下控制主機：對井下工作系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，將數(shù)據(jù)傳往井上控制主機，根據(jù)井上控制主機的命令對支架控制系統(tǒng)進行控制。

3）液壓支架控制器：根據(jù)井下控制主機命令進行控制工作，將井下整個開采系統(tǒng)的工作狀態(tài)記錄下來發(fā)往井下控制主機。

2 液壓支架控制器的設計

液壓支架控制器作為井下機械系統(tǒng)的核心組成部分，為了實現(xiàn)控制運行功能，設計了以下四種工作模式：

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

2）從控模式：當液壓支架控制器處于從控模式，可以接受任何控制器發(fā)來的工作命令，協(xié)助主控控制器進行作業(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:當液壓控制器處于閉鎖狀態(tài)時，控制器會停止工作任務，進入閉鎖狀態(tài)，不接受任何任務，該模式用于液壓控制器的故障排查和設備維修。

2.1 液壓支架控制器硬件的設計

圖2 液壓支架控制器硬件結構框圖

液壓支架控制器硬件的結構框圖如下頁圖2所示，主要包括通信接口、開關量輸入、開關量輸出和電源[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)議來實現(xiàn)各個控制器之間的信息交換，中央控制系統(tǒng)則使用RS485 總線進行通信和下達工作命令。采用SPI 總線協(xié)議讀取控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，外擴RAM主要用來保存控制系統(tǒng)工作時的數(shù)據(jù)。A/D 采樣電路使用傳感器輸出，通過各個傳感器的協(xié)調合作，支架可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，將數(shù)據(jù)傳往控制主機。開關量的輸入控制按鈕位于各個控制器的面板上，由傳感器和控制處理系統(tǒng)傳來的信息將顯示在控制器的屏幕上，根據(jù)不同的工作需求，開關量輸出可以控制液壓支架采取不同工作命令。

2.1.1 輸入信號的硬件電路的設計

根據(jù)上述液壓支架控制器結構，設計了外部閉鎖、外部急停、接近開關和保護四種開關量的輸入信號。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)。當系統(tǒng)正常工作時，按鈕處于按下狀態(tài)。當發(fā)生故障時，按鈕會彈起激活外部閉鎖或是在外部急停狀態(tài)發(fā)出警報。

2.1.2 輸出信號的硬件電路的設計

液壓支架控制器的輸出信號首先對電磁先導閥組進行驅動[5]，通過電磁先導閥組控制主控閥組。根據(jù)不同的任務要求，主控閥組驅動不同的液壓罐進行不同的工作任務。

2.2 液壓支架控制器軟件的設計

液壓支架控制器的軟件設計可以分為：主控CPU 的模塊初始化程序，包括看門狗程序、系統(tǒng)計時程序和信號標志程序。各個子模塊的初始化程序，其中包括RS485 通信、SPI 通信、輸入信號和輸出信號的處理程序。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)。如果這兩個按鈕有一個處于按下狀態(tài)，則整個系統(tǒng)停止工作，不能執(zhí)行任何命令。當兩個按鈕都處于正常狀態(tài)時，系統(tǒng)等待中斷信號，如果檢測到中斷信號則執(zhí)行中斷命令。如若沒有，則繼續(xù)等待，直到出現(xiàn)中斷信號。

液壓支架控制器軟件編程選用C語言，采用Keil software 公司的Keil uVision3 集成開發(fā)環(huán)境。對于系統(tǒng)的開關量輸入信號（外部急停、外部閉鎖、接近開關和系統(tǒng)保護），將四個輸入信號都進行可視化處理，設置四個不同的按鈕位于控制器的面板上。一旦出現(xiàn)問題，控制室操作人員可以及時按下按鈕停止工作面的生產(chǎn)工作，直到急停命令取消。對于系統(tǒng)的開關量輸出信號，控制器的支柱在接收到任務后開始液壓升柱，直至支架有一定的支撐力。

3 液壓支架控制器的調試和應用

在完成設計后，對液壓支架控制器進行調試，包括井下控制主機和10 架液壓支架控制器。

在進行液壓支架控制器的調試時，按照人為操作為最高級進行控制，即工作人員的手動操作優(yōu)先。液壓支架控制器的工作按照工作人員的手動操作為主，當系統(tǒng)在執(zhí)行程序命令時，工作人員手動發(fā)出指令，系統(tǒng)也會停止工作。當系統(tǒng)完全處于程序控制時，也運行良好，各個部分按上機位的命令進行作業(yè)。

該設備現(xiàn)由鄭州煤礦機械集團進行生產(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，有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 結語

通過對液壓支架控制器的工作要求和性能指標進行分析，得到了該系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)其工作原理，設計了液壓支架控制器，包括硬件和軟件的設計。最后，還對設計進行了調試，在調試實現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了有時命令太多會引起控制器進入停擺的現(xiàn)象。此外，還存在命令反應時間太長等缺陷，這些都是將來需要研究的方向。但總得來說，目前該設計滿足現(xiàn)有的煤炭開采需求，在實際應用中取得了良好的經(jīng)濟效益。