張曉海 田慕琴 張敏龍 宋建成 許春雨 聶鴻霖 楊永鍇

摘要：隨著無人值守智能化綜采工作面建設的不斷推進，對液壓支架電液控制系統(tǒng)的自動化控制功能提出了更高的技術(shù)要求。基于目前國內(nèi)開發(fā)的電液控制技術(shù)在滿足智能化生產(chǎn)技術(shù)要求方面，存在通信速率低、響應不及時和可靠性差等問題，開發(fā)了一種基于32位處理器的液壓支架電液控制系統(tǒng)端頭控制器，設計了基于工業(yè)以太網(wǎng)和 CAN 總線的端頭控制器通信架構(gòu)。根據(jù)無人值守智能化綜采工作面具有智能感知、智能決策和自動控制的技術(shù)要求，在端頭控制器中設計了參數(shù)巡檢、參數(shù)修改、在線升級和跟機自動控制功能。為了應對智能化綜采工作面對液壓支架電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)標準化、規(guī)范化的要求，端頭控制器可以對液壓支架電液控制系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照基于位號的數(shù)據(jù)編碼標準進行編碼。通過綜采工作面“三機”實驗平臺進行實驗，結(jié)果表明：端頭控制器從發(fā)出巡檢指令到接收到實驗平臺27臺支架控制器的數(shù)據(jù)，整個過程用時1.8 s，比使用 RS485通信實現(xiàn)參數(shù)巡檢快1.5 s；端頭控制器發(fā)送的升級程序大小為38 KiB，傳輸時間為1.2 s。經(jīng)過測試，綜采工作面所有支架控制器從接收升級命令到一起升級成功用時為4～6 s，達到了預期目標；端頭控制器可以根據(jù)采煤機位置控制相應液壓支架做出正確動作，且能夠滿足實時性要求。

關(guān)鍵詞：端頭控制器；ARM 處理器；電液控制系統(tǒng)；液壓支架；智能化工作面

中圖分類號： TD355??? 文獻標志碼： A

Design of end controller for the electrohydraulic control system of intelligent working face hydraulic support

ZHANG Xiaohai1，2， TIAN Muqin1，2， ZHANG Minlong3， SONG Jiancheng1，2，XU Chunyu1，2， NIE Honglin1，2， YANG Yongkai1，2

（1. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Mining Intelligent Electrical Apparatus Technology，Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China；2. Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipmentand Intelligent Control， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China；3. Shanxi Jincheng AnthraciteMining Group Jinding Mining and Machinery Co.， Ltd.， Jincheng 048006， China）

Abstract： With the continuous promotion of the construction of unmanned automated fully intelligent mechanized working faces， higher technical requirements have been put forward for the automation control function of the hydraulic support electrohydraulic control system. The electrohydraulic control technology developed in China has problems such as low communication speed， delayed response， and poor reliability in meeting the requirements of intelligent production technology. An end controller for the electrohydraulic control system of hydraulic support based on a 32-bit processor has been developed. A communication architecture of the end controller based on industrial Ethernet and CAN bus has been designed. According to the technicalrequirements of intelligent perception， intelligent decision-making， and automatic control for unmanned intelligent mechanized working faces， parameter inspection， parameter modification， online upgrade， and control functions of automatic follow-up have been designed in the end controller. In order to meet the requirements of standardization and normalization of data in the hydraulic support electrohydraulic control system in intelligent fully mechanized working faces， the end controller can encode the data generated by the hydraulic support electrohydraulic control system according to the data encoding standard based on tag numbers. Through the experiment on the "three machines" experimental platform of fully mechanized working faces， the results show the following points. The entire process from issuing inspection instructions to receiving data from 27 support controllers on the experimental platform takes 1.8 s for the end controller. It is 1.5 s faster than using RS485 communication to achieve parameter inspection. The size of the upgrade program sent by the end controller is 38 KiB and the transmission time is 1.2 s. After testing， it takes 4-6 s for all support controllers in the fully mechanized working face to receive the upgrade command and successfully upgrade together， achieving the expected goal. The end controller can control the corresponding hydraulic support to make correct actions based on the position of the shearer. It can meet real-time requirements.

Key words： end controller; ARM processor; electrohydraulic control system; hydraulic support; intelligent working face

0 引言

煤炭占據(jù)我國一次能源的主導地位[1]。為推進煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2020年2月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》，對我國煤礦智能化發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。液壓支架電液控制系統(tǒng)是綜采工作面實現(xiàn)少人化、無人化目標的關(guān)鍵，其智能化水平直接決定了煤礦智能化程度[2-4]。當前，液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由集控計算機、端頭控制器、支架控制器、防爆電源和各類狀態(tài)感知傳感器等組成[5]。其中，端頭控制器作為電液控制系統(tǒng)的“中間環(huán)節(jié)”，起著承上啟下的作用，其智能化程度對實現(xiàn)綜采工作面自動化生產(chǎn)有著非常重要的現(xiàn)實意義：一方面端頭控制器需要具備可靠的通信能力，能夠與其他設備、系統(tǒng)或云平臺進行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同控制；另一方面端頭控制器能夠?qū)崟r接收和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，為智能化決策和控制提供數(shù)據(jù)保障。

由于液壓支架電液控制系統(tǒng)在綜采工作面的關(guān)鍵作用，國內(nèi)外學者對其進行了深入研究。文獻[6]提出了一種基于雙 CAN 總線的液壓支架電液控制系統(tǒng) ， 旨在解決當前薄煤層開采智能化程度低的問題。文獻[7]通過對支架時?空運動指標分析，提出了液壓支架群組自組織協(xié)同控制方法，從而實現(xiàn)綜采工作面的智能開采。文獻[8-9]通過分析實現(xiàn)智能開采面臨的關(guān)鍵難題，提出了液壓支架護幫板精準控制及快速跟機技術(shù)、液壓支架姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)和上竄下滑控制技術(shù)等。雖然目前國內(nèi)開發(fā)的電液控制技術(shù)與發(fā)達國家相比差距越來越小，但在滿足智能化生產(chǎn)技術(shù)要求方面，還存在通信速率低、響應不及時和可靠性差等問題[10]，阻礙著智能化綜采工作面建設的步伐。

為了解決上述問題，本文開發(fā)了一種基于32位處理器的液壓支架電液控制系統(tǒng)端頭控制器，設計了工業(yè)以太網(wǎng)和 CAN 總線相結(jié)合的端頭控制器通信模式，并設計了端頭控制器的參數(shù)巡檢、參數(shù)修改、在線升級和跟機自動控制功能。

1 電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能化綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)一般由集控計算機、端頭控制器和支架控制器3個部分組成[11]，如圖1所示。集控計算機用于監(jiān)控（監(jiān)測液壓支架工作狀態(tài)）、管理（工作面頂板壓力數(shù)據(jù)預處理、工作面設備能源管理和節(jié)能優(yōu)化）和控制綜采工作面設備（刮板輸送機校直計算、采煤機高精度定位和煤礦井下人員識別等）；支架控制器用于控制液壓支架動作（鄰架單動作控制、成組動作控制等）、采集狀態(tài)傳感器數(shù)據(jù)和對工作面通信故障進行診斷等；端頭控制器是連接集控計算機和支架控制器的“橋梁”，能夠?qū)崿F(xiàn)電液控制系統(tǒng)網(wǎng)絡管理，對支架控制器參數(shù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)工作面數(shù)據(jù)上傳下達和集中發(fā)布，同時也是綜采工作面液壓支架實現(xiàn)跟機自動控制的“直接指揮者”。綜采工作面一般有180～230臺支架控制器，為了保證端頭控制器能夠?qū)崟r、準確地接收支架控制器的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時避免集控計算機出現(xiàn)通信接口種類繁雜、協(xié)議不統(tǒng)一的現(xiàn)象，本文設計了一種工業(yè)以太網(wǎng)和 CAN 總線相結(jié)合的端頭控制器通信方案。

2 端頭控制器硬件組成

根據(jù)智能化綜采工作面自動化控制的技術(shù)要求，本文設計的端頭控制器主要由 CPU、通信單元、人機交互單元和儲存單元組成，如圖2所示。

考慮到智能化綜采工作面狀態(tài)信息量大、采集速率高、傳輸速度快等特點，端頭控制器 CPU 選用32位 ARM 處理器。通信單元包含了2路 CAN 通信接口，1路 RS485通信接口和1路以太網(wǎng)通信接口，用于與集控計算機和支架控制器進行通信。存儲單元選用8 MiB 的 SRAM，用于儲存巡檢數(shù)據(jù)和升級程序等。人機交互單元包含鍵盤單元、顯示單元和聲光報警單元：鍵盤單元設計了20個按鍵，用于輸入控制指令和修改參數(shù)等；顯示單元選用4英寸顯示屏，用于顯示工作面狀態(tài)信息；聲光報警單元由蜂鳴器和報警燈組成，用于在綜采工作面出現(xiàn)故障時及時報警。

3 端頭控制器功能設計

智能化綜采工作面是以提高生產(chǎn)率為目的，以將工人從井下危險、繁重的作業(yè)環(huán)境中解放出來為目標，在自動控制基礎(chǔ)上結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等，實現(xiàn)綜采工作面設備的自主、最優(yōu)控制[12-15]。本文根據(jù)智能化綜采工作面特點和技術(shù)要求，設計了端頭控制器的參數(shù)巡檢、參數(shù)修改、在線升級和跟機自動控制等功能，并將實時巡檢的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后發(fā)送給集控計算機，為實現(xiàn)綜采工作面數(shù)據(jù)分析和智能處理提供支撐。

3.1 參數(shù)巡檢

對綜采工作面液壓支架和采煤機狀態(tài)的全面感知是檢驗綜采工作面智能化水平的關(guān)鍵，地面監(jiān)控中心可通過端頭控制器的參數(shù)巡檢功能實時了解綜采工作面液壓支架工作狀態(tài)和采煤機位置。為了保證巡檢數(shù)據(jù)的實時性、可靠性和安全性，本文利用 CAN 總線的多主模式設計了端頭控制器參數(shù)巡檢方案，如圖3所示。端頭控制器會響應集控計算機巡檢指令并根據(jù)控制任務自主發(fā)出巡檢指令。當端頭控制器通過 CAN 總線下發(fā)巡檢指令時，收到命令的支架控制器會將采集到的狀態(tài)信息通過 CAN 總線發(fā)送給端頭控制器，端頭控制器接收到巡檢信息并進行加工處理后再發(fā)送給集控計算機。

為了實現(xiàn)液壓支架智能控制，端頭控制器對巡檢數(shù)據(jù)進行標準化整理。數(shù)據(jù)標準化是各系統(tǒng)之間相關(guān)信息貫通、共享的基礎(chǔ)，也是智能化煤礦進行大數(shù)據(jù)分析的前提。按照基于位號的數(shù)據(jù)編碼標準（圖4）對巡檢數(shù)據(jù)進行編碼[16]。其中，主項編碼用于確定系統(tǒng)所處的位置，由煤層號、區(qū)域號和地點號3個部分組成。

3.2 參數(shù)修改

由于不同煤礦綜采工作面工況不同、環(huán)境不同，使得采煤工藝也不盡相同。為了使液壓支架電液控制系統(tǒng)具有很強的適應能力，支架控制器參數(shù)[17]必須可以靈活調(diào)整。由于煤礦綜采工作面支架控制器的數(shù)量較多，如果每臺支架控制器單獨設置參數(shù)，不僅工作量大，而且容易出錯。為了解決上述問題，本文設計了一種基于 CAN 總線的參數(shù)批量修改方案，即端頭控制器將設置好的參數(shù)以廣播的形式發(fā)送給支架控制器，從而完成整個綜采工作面支架控制器的參數(shù)更新，具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

端頭控制器還可以配合集控計算機實現(xiàn)支架控制器的參數(shù)修改。當集控計算機要修改支架控制器的參數(shù)時，會先將修改的數(shù)據(jù)發(fā)送給端頭控制器，再由端頭控制器統(tǒng)一下發(fā)給支架控制器。參數(shù)修改功能不僅降低了工人勞動強度，還大幅提高了支架控制器的維護效率。

3.3 控制器程序在線升級

由于綜采工作面智能化程度要求不一，自動化水平不同，采煤工藝要求不同，需對控制器程序進行相應修改，即在線升級。由于煤礦井下環(huán)境特殊，控制器不能搬到地面進行升級，更不能通過打開外殼接入仿真器的方式進行程序升級，所以，需通過網(wǎng)絡形式對支架控制器的程序進行在線升級。常見的在線編程方式有 ISP（Internet Service Provider，網(wǎng)絡業(yè)務提供商）和 IAP（In Application Programming，在應用編程）2種。雖然 ISP 程序較簡單，也不需要增加引導程序，但 ISP 在編程時需要打開控制器外殼進行編程操作；IAP 的特點是用戶程序在運行中自我更新，可在保證控制器密閉的前提下通過網(wǎng)絡實現(xiàn)在線升級。

因此，本文采用 IAP 方式對電液控制器程序進行升級。為了實現(xiàn) IAP 功能，用戶在燒寫程序時將 Bootloader 程序和 APP 程序同時燒寫在 User Flash 中。當芯片上電后，首先從 Bootloader 程序開始運行，Bootloader 程序的功能是判斷是否需要更新 APP 程序，若是則執(zhí)行更新操作，否則跳轉(zhuǎn)到 APP 程序開始執(zhí)行[18]。為了避免在升級過程中由于數(shù)據(jù)量大、傳輸時間長出現(xiàn)新程序傳輸失敗而舊程序被擦除導致控制器無法使用的情況，本文增加了 SRAM 程序儲存環(huán)節(jié)，即在升級過程中，控制器將接收到的新程序先存儲在自身 SRAM 中，經(jīng)校驗無誤后再更新自身程序。

在電液控制系統(tǒng)中，集控計算機要將更新的程序轉(zhuǎn)換為16進制碼的形式，通過工業(yè)以太網(wǎng)將更新的程序發(fā)送給端頭控制器。當端頭控制器接收到新程序時會將其儲存在自身的 SRAM 中，接著識別是否是自身的更新程序，若是，則完成自身程序更新，否則將更新的程序通過 CAN 總線以廣播的形式發(fā)送給綜采工作面各支架控制器 ， 完成支架控制器程

3.4 跟機自動控制

跟機自動控制是綜采工作面實現(xiàn)自動化采煤的必要手段，也是工作面實現(xiàn)智能化的核心技術(shù)支撐。液壓支架跟機自動控制是端頭控制器依據(jù)采煤機位置，按照既定的采煤工藝向各液壓支架控制器發(fā)出動作指令，從而實現(xiàn)綜采工作面液壓支架的自動聯(lián)動。針對現(xiàn)有的跟機自動控制功能可靠性差、智能化程度低、液壓支架動作執(zhí)行情況監(jiān)測不及時等問題[19-21]，本文提出了一種基于 ARM 處理器的液壓支架跟機自動控制方案。

3.4.1 跟機自動控制功能設計

液壓支架跟機自動控制設計方案如圖7所示。假設綜采工作面有200臺液壓支架，每一臺液壓支架配有1臺支架控制器，整個綜采工作面配有1臺端頭控制器。端頭控制器通過巡檢獲得采煤機位置和液壓支架狀態(tài)。在進行跟機自動控制時，端頭控制器會根據(jù)巡檢參數(shù)確定采煤機所處的生產(chǎn)工藝段，按照既定的采煤工藝向支架控制器發(fā)送指令，操作對應的液壓支架執(zhí)行推溜、提底、順序移架和噴霧等動作。在跟機自動控制過程中端頭控制器會實時監(jiān)測動作執(zhí)行狀況，并及時調(diào)整執(zhí)行不到位的液壓支架。

3.4.2 跟機自動控制功能實現(xiàn)

當前我國綜采工作面割煤方式主要分為單向割煤和雙向割煤。本文以單向割煤為例，介紹跟機自動控制功能的實現(xiàn)過程，如圖8?圖10所示。首先定義采煤機從右至左的移動方向為正向割煤，當采煤機正向割煤至17號支架時，距離采煤機6臺支架長度的3臺支架同時進行收伸護幫，采煤機后方7號支架依次執(zhí)行降柱?提底?移架?升柱動作，滾筒附近的支架執(zhí)行噴霧動作。當采煤機正向割煤至工作面尾部后，采煤機反向空刀返回。當采煤機運行至18號支架時，31?40號液壓支架進行推溜，行成刮板輸送機彎曲段，推溜行程依次為 h（10?n）/10 m，（n=0，1，…，9；h 為采煤機截深，取0.6 m），并且距離采煤機6臺支架長度的3臺支架同時進行收伸護幫。當采煤機完成反向割三角煤并行至綜采工作面最右端后，采煤機開始正向割煤，斜切進刀，進刀區(qū)域為推溜彎曲段處。進刀完畢后采煤機正常割煤，相關(guān)液壓支架按照正向割煤流程開始執(zhí)行追機拉架、收伸護幫和噴霧動作，開始下一個循環(huán)。

4 實驗驗證

為了驗證所設計的端頭控制器的可靠性和穩(wěn)定性，本文在綜采工作面“三機”實驗平臺上對端頭控制器的功能進行了測試。綜采工作面“三機”實驗平臺是根據(jù)實際綜采工作面地質(zhì)條件、綜采工藝要求、“三機”工作原理及相互配合關(guān)系建立的縮小型“三機”模型，包括 1 臺采煤機、27 臺液壓支架、液壓泵站、刮板輸送機、煤層頂板和底板。

4.1 參數(shù)巡檢功能測試

當端頭控制器向“三機”實驗平臺上的支架控制器發(fā)出巡檢指令后，支架控制器通過 CAN 總線將狀態(tài)信息發(fā)送給端頭控制器，端頭控制器接收信息后發(fā)送給集控計算機并完成顯示，如圖 11 所示。端頭控制器從發(fā)出巡檢指令到接收到實驗平臺 27 臺支架控制器的數(shù)據(jù)，整個過程用時 1.8 s，比使用 RS485通信實現(xiàn)參數(shù)巡檢快 1.5 s。

4.2 參數(shù)修改功能測試

目前支架控制器一般需要設置自動補壓參數(shù)、成組參數(shù)、鄰架操作參數(shù)、單架傳參數(shù)、跟機自動控制參數(shù)和保護預警參數(shù)等。端頭控制器通過總線將參數(shù)修改命令和參數(shù)值發(fā)送給支架控制器，支架控制器識別后完成自身參數(shù)更新，更新的參數(shù)存放在自身的 Flash 里。本文以修改鄰架操作參數(shù)為例說明修改效果，修改前后的鄰架操作參數(shù)如圖12、圖13 所示。

4.3 控制程序在線升級功能測試

將 CAN 分析儀接入到液壓支架電液控制系統(tǒng) CAN 總線上，當端頭控制器向支架控制器發(fā)送升級程序時，CAN 分析儀也會接收到端頭控制器發(fā)送的內(nèi)容，如圖14所示。端頭控制器發(fā)送的升級程序大小為38 KiB，傳輸時間為1.2 s。經(jīng)過測試，綜采工作面所有支架控制器從接收升級命令到一起升級成功用時為4～6 s，達到了預期目標。

4.4 跟機自動控制功能測試

本文測試的跟機自動控制功能是在單向割煤工藝下，采煤機從綜采工作面右端進刀，當采煤機運行至設定距離時，后方的液壓支架開始執(zhí)行降柱?提底?移架?升柱動作，當采煤機空刀返回時，最左端的液壓支架才開始推溜。跟機自動控制功能測試如圖15所示。端頭控制器可根據(jù)采煤機位置控制相應液壓支架做出正確動作，且能夠滿足實時性要求。

5 結(jié)論

1）設計了基于工業(yè)以太網(wǎng)和 CAN 總線的通信架構(gòu)。端頭控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)與集控計算機通信，通過 CAN 總線與綜采工作面所有的支架控制器通信。該通信模式通信能力強、實時性好，能夠為智能化綜采工作面實現(xiàn)智能數(shù)據(jù)分析提供技術(shù)保障。

2）根據(jù)智能化無人值守綜采工作面自動化控制技術(shù)要求，設計了端頭控制器的參數(shù)巡檢、參數(shù)修改、在線升級和跟機自動控制功能，端頭控制器還可對電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行編碼，實現(xiàn)綜采工作面數(shù)據(jù)標準化管理。

3）實驗結(jié)果表明：端頭控制器從發(fā)出巡檢指令到接收到實驗平臺27臺支架控制器的數(shù)據(jù)，整個過程用時1.8 s，比使用 RS485通信實現(xiàn)參數(shù)巡檢快 1.5 s；端頭控制器發(fā)送的升級程序大小為38 KiB，傳輸時間為1.2 s。經(jīng)過測試，綜采工作面所有支架控制器從接收升級命令到一起升級成功用時為4～6 s，達到了預期目標；端頭控制器可根據(jù)采煤機位置控制相應液壓支架做出正確動作，且能夠滿足實時性要求。

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