智能型液壓支架面板控制器設計

馬海峰

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

引言

液壓支架是煤礦綜采工作面“三機”（采煤機、刮板輸送機和液壓支架）設備之一，該設備的安全、穩(wěn)定、可靠運行直接關系到綜采工作面的生產效率。世界上各個煤礦綜采工作面采用較多的液壓支架電液控制系統(tǒng)包括德國的PM4液壓支架電液控制器[1-2]，其以單片機為核心控制器，采用BIDI Bus數(shù)據(jù)通信模式，通信速率僅為56 kbit/s，且該通信協(xié)議為私有協(xié)議，修改較為困難；德國的PM31、PM32液壓支架電液控制器[3]及美國的RS20控制器[4-5]在適應性、后期服務及配件更換成本等方面受到制約。德國生產PM31的德國瑪坷公司（MARCO）以礦業(yè)用戶需求為服務宗旨[6]，主要經(jīng)營PM23支架控制器的銷售，該支架控制器以微處理技術作為核心，數(shù)據(jù)處理能力較弱；采用BIDI Bus與T Bus相結合的數(shù)據(jù)通信模式，即在支架控制器間采用BIDI Bus通信，在全綜采工作面采用TBus通信，通信速率為19.2kbit/s，支架控制器間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性較差、丟包率較高，且BIDI Bus與T Bus為私有協(xié)議，實現(xiàn)較為復雜。神東礦區(qū)、大同礦區(qū)、陽泉礦區(qū)等煤礦引進了部分國外液壓支架電液控制器，使用效果較好，但價格昂貴、設備維護和維修較為困難。液壓支架動作時，需依靠液壓支架面板控制器進行操作，完成降柱、移架、升柱等動作。本文基于STM32F103ZET6芯片，設計液壓支架面板控制器，改善液壓支架操作性能，提升液壓支架動作效率。

1 設計要求

1.1 性能要求

為實現(xiàn)對液壓支架的安全、有效、實時控制，液壓支架電液控制面板必須滿足下述要求：

1）硬件元部件必須能夠在-20～60℃穩(wěn)定工作；硬件電路板必須作“三防”處理，殼體設計達到IP等級標準；考慮薄煤層煤礦井下空間狹小，液壓支架空間有限，硬件部分的體積越小越好，并保證外殼防爆、電氣性能滿足要求。

2）硬件設計需滿足綜采工作面液壓支架電液控制功能要求，具體如下：具備控制外圍設備如壓力傳感器、位移傳感器、紅外傳感器、電磁閥組、電源轉換等數(shù)字量，模擬量的功能；具備液壓支架單體控制功能，如移架、推溜、伸/縮護幫板、伸/收側護板、升/降柱等操作，還包括單體液壓支架順序聯(lián)動，如“降柱→移架→升柱”“抬底→移架”等；具備液壓支架群體控制功能，如成組移架、成組推溜、成組“降柱→移架→升柱”“抬底→移架”等，還包括自動跟機功能；具備自動補壓、急停/閉鎖、故障報警功能。

1.2 控制要求

根據(jù)綜采工作面液壓支架使用實際工況要求，液壓支架電液控制面板有主控模式、從控模式、空閑模式及閉鎖模式四種，具體介紹如下：

1.2.1 主控模式

主控模式是指該液壓支架電液控制器執(zhí)行本架液壓支架控制程序，控制本架液壓支架動作。在主控模式下，該液壓支架電液控制器不接收任何其他液壓支架電液控制器指令，但可接收急停和閉鎖指令。

1.2.2 從控模式

從控模式是指該液壓支架電液控制器執(zhí)行非本架液壓支架控制程序，控制本架液壓支架動作。在從控模式下，除急停和閉鎖指令外，不接收其他任何控制指令。

1.2.3 空閑模式

空閑模式是指該液壓支架電液控制器沒有接收到任何控制指令，處于空閑狀態(tài)，等待接收本架液壓支架或非本架液壓支架控制器按鍵指令。

1.2.4閉鎖模式

閉鎖模式用于液壓支架需要維修或者出現(xiàn)故障時，液壓支架系統(tǒng)進入閉鎖模式。在閉鎖模式下，液壓支架控制器不接收任何外部指令，也不作任何動作。

2 系統(tǒng)設計

2.1 面板設計

液壓支架電液控制器人機界面面板正面如圖1所示，具體由鍵盤、顯示屏及按鈕組成。鍵盤用于菜單設置、參數(shù)設定、命令啟動等，由數(shù)字鍵、功能鍵、命令鍵組成；顯示屏用于顯示液壓支架狀態(tài)信息、各傳輸數(shù)據(jù)及支架信息等，采用240×180的點陣式字符顯示屏[7-8]。按鈕包括閉鎖按鈕和急停按鈕，按下急停按鈕后，鄰架控制、自動噴霧、自動補壓動作不受影響。急停、閉鎖動作時，拍下對應按鈕即可；解除時，需右旋撥出。

圖1 液壓支架電液控制器人機界面面板正面設計

液壓支架電液控制器人機界面面板背面如圖2所示，共有12個電纜插口供電纜接線，通過電纜將液壓支架人機界面與液壓支架控制器從站相連，完成液壓支架動作控制。A1口用于CAN專用通信電纜經(jīng)隔離耦合器后連接左鄰架，F(xiàn)1口用于CAN專用通信電纜經(jīng)隔離耦合器后連接右鄰架；A2口用于連接CAN總線通信提升器；D2口用于連接安裝在液壓支架機身的紅外傳感器；F2口用于連接電磁驅動器；C1口用于連接壓力傳感器；D1口用于連接位移傳感器；其他口為備用，需用專用的堵頭封口。

圖2 液壓支架電液控制器人機界面面板背面設計

液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板按鍵功能說明如表1所示，一共有10個數(shù)字鍵、15個液壓支架操作鍵、2個按鈕鍵、13個功能鍵，組合完成對液壓支架動作控制及LED顯示屏的操作。

表1 液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板按鍵統(tǒng)計

液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板“LED小窗口”，如圖3所示。其中，LED燈“LO”為閉鎖指示燈，指示紅色時，為閉鎖指示（閉鎖時亮）；LED燈“ON”為電源指示燈；LED燈“R”為復位指示燈。人機界面面板中較大的發(fā)光二極管為液壓支架動作警示燈，液壓支架動作時，該警示燈以一定的頻率亮-滅-亮，同時伴有蜂鳴聲。較小的發(fā)光二極管為支架控制器控制模式指示燈，為綠色時，表明該支架控制器為主控制器，處于主控模式；為紅色時，表明該支架控制器為從控制器，處于從控模式。

圖3 LED小窗口指示

2.2 核心電路設計

液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板鍵盤電路基于MAX6955AAI芯片機型鍵盤掃描和控制。該芯片有P0—P4五條I/O擴展線，將P0—P3設置為鍵盤輸入，可自動完成32個矩陣開關的自動掃描、防抖及控制[9-10]。將P4設置為IRQ輸出，當有按鍵按下并確定向STM32F103ZET6控制器發(fā)送中斷請求時，該P4口有效。電阻R11與C13組成該芯片的振蕩電路，為芯片工作提供時鐘源。根據(jù)操作面板鍵盤功能，利用二極管、按鍵指示燈及狀態(tài)指示燈組成鍵盤矩陣電路，為操作面板提供鍵盤功能。

鍵盤電路與操作面板按鍵對應如表2所示，包含了液壓支架控制按鍵，如“啟動鍵”“推溜鍵”等；界面控制鍵，如“左界面”“右界面”等；液壓支架參數(shù)設置按鈕，如“設置鍵”等。

表2 鍵盤電路與操作面板對應按鍵

液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板顯示電路基于12854L型OLED實現(xiàn)，該OLED為128列×64行點陣式、單色、字符型顯示屏，電路簡單，應用方便，具有高亮度、寬視角、工作溫度范圍寬、具有8位并行數(shù)據(jù)接口、有讀/寫操作時序、集成SSD1305 OLED驅動器等特點。

3 結論

1）根據(jù)綜采工作面液壓支架工藝要求，凝練液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板性能要求及控制要求。

2）根據(jù)人機界面面板性能、控制要求完成人機界面面板設計、核心電路設計。

3）該液壓支架電液控制系統(tǒng)人機界面面板能夠完成對液壓支架的控制，控制過程安全、穩(wěn)定，指令響應速度快、時延小，操作靈活方便，滿足液壓支架控制要求。