李 宏

（山西長治三元晉永泰煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

引言

近年來，國內(nèi)大中型煤礦大多采用了自動化的機械采煤設(shè)備和工藝[1]，液壓支架電液控制系統(tǒng)是煤礦綜合化采煤設(shè)備的重要組成，是綜采工作面的支護裝置，為工作面的采煤機、運輸機等機械設(shè)備和工作人員提供安全穩(wěn)定的工作場合，同時也能實現(xiàn)液壓支架的各種動作的自動控制，減少了現(xiàn)場人員的參與，極大地提高了采煤的效率，對煤礦的安全高效開采起著至關(guān)重要的作用[2]。目前，國內(nèi)外的專家學(xué)者對液壓支架控制系統(tǒng)開展了大量的研究工作，如英國早在20 世紀(jì)80 年代末就研發(fā)出世界上第一臺液壓支架電液控制裝置[3]，德國DBT 公司的PM4型、德國MARCO 公司的PM31型和JOY 公司的R320型[4]是國際上通用的三種控制系統(tǒng)，但是國外研發(fā)的控制系統(tǒng)仍無法實現(xiàn)自動化采煤作業(yè)；國內(nèi)液壓支架控制系統(tǒng)研究起步較晚，如神華集團和航天科技集團共同研制的電液控制器，滿足控制器設(shè)計要求，雖然國內(nèi)的電液控制系統(tǒng)取得了極大的研究進展，但目前尚無成熟的、可實際應(yīng)用的自動化控制器產(chǎn)品。針對國內(nèi)綜采工作面電液控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和迫切需求，本文在原有支架控制器的基礎(chǔ)上[4]，根據(jù)礦井的實際生產(chǎn)需求，重新優(yōu)化設(shè)計了液壓支架電液控制器的硬件結(jié)構(gòu)，編寫了相關(guān)的軟件程序，并增加了自動化控制功能，實現(xiàn)頂板壓力等參數(shù)的實時監(jiān)控，將控制器應(yīng)用于實際煤礦進行工業(yè)性試驗，驗證控制器的自動化效果及穩(wěn)定性。

1 液壓控制器的總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

本文液壓支架控制器的設(shè)計需滿足數(shù)據(jù)采集、分析、處理以及命令執(zhí)行，整體采用雙CPU 和三總線相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，以C8501F020 單片機作為控制核心，接口電路和主控電路以模塊化方式組成電路系統(tǒng)，相互協(xié)調(diào)完成控制器的各項功能。兩個CPU 分別控制兩個電路模塊，其中接口電路的作用是進行人機互動，包括命令輸入和運行狀態(tài)顯示，主控電路負(fù)責(zé)命令執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集，兩部分電路由SPI 通訊連接；各個支架控制器間的通訊由接口電路中的RS485 模塊負(fù)責(zé)。

1.2 硬件設(shè)計

如圖1 所示，支架控制器的硬件部分由雙核控制系統(tǒng)組成，接口電路CPU 分別控制鍵盤模塊、顯示模塊、支架通訊模塊、存儲模塊、檢測模塊、電源模塊以及急停閉鎖模塊，主控電路CPU 控制壓力和電流傳感器、集控通訊模塊、驅(qū)動模塊、自診斷模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。

圖1 液壓支架控制器硬件結(jié)構(gòu)

CPU 是支架控制器的核心部件，通過內(nèi)部運行編譯程序完成相應(yīng)功能。根據(jù)控制器功能要求，分析CPU 所需的數(shù)據(jù)資源、擴展接口性能等，同時結(jié)合成本能耗等因素，選擇控制芯片的型號為C8051F020單片機，并優(yōu)化了接口電路和主控電路的內(nèi)部資源，如下頁表1 所示。

表1 主控電路和接口電路CPU 需要具備的硬件資源

1.3 軟件設(shè)計

基于硬件電路各功能模塊，本文編寫了液壓支架控制器的軟件控制程序，該控制程序由接口電路主程序和控制電路主程序組成，兩者均屬于主線性等待結(jié)構(gòu)，由主循環(huán)結(jié)合不同功能模塊子程序構(gòu)成。兩條主程序彼此獨立運行，由SPI 通訊程序?qū)崿F(xiàn)兩者連接，當(dāng)接口程序接受到控制命令時，通過SPI 通訊程序傳遞給主控電路程序，同時主控電路程序再將采集的支架運行狀態(tài)等信息通過SPI 反饋至接口電路，調(diào)動接口電路顯示界面子程序，最終顯示在屏幕上。子程序包括鍵盤掃描程序、動作執(zhí)行和診斷程序、急停閉鎖程序、UART 和SPI 通訊程序、參數(shù)調(diào)運及修改程序和信號采集程序。程序編寫由Cygnal公司的IDE 集成開發(fā)環(huán)境完成，使用C 語言編寫。

1.4 液壓支架自動化集中控制

為了降低煤礦開采的人力耗費，提高操作安全性，本文對液壓支架控制系統(tǒng)增設(shè)了自動化集中控制功能，可實現(xiàn)支架的頂板壓力、推移量等信息的實時監(jiān)控，同時，根據(jù)用戶輸入端指令完成自動拉架、推鎦等采煤作業(yè)，跟蹤采煤機。在支架控制器硬件和主控電路主程序基礎(chǔ)上，設(shè)計了以雙總線通訊、結(jié)合各種類型傳感器的液壓支架集控作業(yè)的控制方案，在控制器內(nèi)部嵌入3 路信號采集電路、4 路通訊總線和10 路驅(qū)動電路，其中驅(qū)動電路由電磁閥提高驅(qū)動力。圖2 為支架控制器集控功能控制示意圖，其中主控電路是集控功能的核心組成，通過數(shù)據(jù)總線和命令總線與端頭控制器連接，數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)將傳感器采集的參數(shù)和綜采面的設(shè)備狀態(tài)傳遞給上位機，命令總線負(fù)責(zé)對上位機和端頭控制器下達(dá)控制命令，根據(jù)命令內(nèi)容，驅(qū)動電磁閥控制液壓支架執(zhí)行相應(yīng)動作；同時，系統(tǒng)根據(jù)壓力傳感器、位移傳感器和紅外傳感器等檢測的信號，判斷動作執(zhí)行是否準(zhǔn)確。此外，自動化集中控制的信息也會在顯示屏幕上實時顯示。

圖2 支架控制器集控功能控制示意圖

2 液壓控制器抗干擾試驗

考慮到煤礦綜采面具有復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，可能會對井下電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此設(shè)備的抗干擾性和穩(wěn)定性對設(shè)備的功能和使用壽命有著重要的影響。在控制器的硬件和軟件設(shè)計中增添了抗干擾器件，如在硬件電路中，將CPU的I/O 口設(shè)置為三態(tài)門，不僅提高了輸入輸出能力，也增強了抗干擾能力，其他功能芯片采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，彌補了原有TTL 芯片的功耗大、響應(yīng)速度慢的缺陷；而控制器的所有電路均進行單點接地處理，能夠有效過濾高頻干擾信號；針對鍵盤的電平干擾，在按鍵兩邊并聯(lián)電容以消除抖動。在軟件方面編寫了相關(guān)的程序，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)死機或跑飛時，復(fù)位程序用于重新啟動；鍵盤程序負(fù)責(zé)實現(xiàn)鍵盤的消抖；在通訊校驗程序加入了CRC 多項式運算，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；動作檢測診斷功能夠在控制系統(tǒng)運行出錯時進行修正，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

EMC 試驗主要用于檢測電氣設(shè)備的穩(wěn)定性和抗干擾能力，本文對設(shè)計研發(fā)的液壓支架控制器進行了EMC 試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，支架控制器在靜電放電干擾、電干擾、浪涌干擾和脈沖群干擾的條件下，均能夠正常運行，具有優(yōu)異的抗干擾能力，滿足實際礦井工作的要求。

3 結(jié)語

在本文設(shè)計的液壓支架自動化集中控制方案中，以低功耗、高穩(wěn)定性的C8051F020 單片機作為控制芯片，設(shè)計了模塊化功能電路，整體采用雙核結(jié)構(gòu)，以多總線方式連接，控制器內(nèi)部集成各類型通訊協(xié)議。此外，將自動控制功能和自診斷功能應(yīng)用于控制器，提高了系統(tǒng)的自動化、實用性和可靠性。通過EMC 試驗驗證了控制系統(tǒng)的抗干擾性能和穩(wěn)定性，試驗結(jié)果表明，液壓支架控制系統(tǒng)具有優(yōu)異的抗干擾能力，可應(yīng)用于煤礦的實際生產(chǎn)。