綜采自動化系統支架遠程操作臺設計

姚鈺鵬

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京　100013)

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綜采自動化系統支架遠程操作臺設計

姚鈺鵬

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京100013)

摘要：針對現有工作面綜采自動化系統以人工操作控制器為主要控制手段，采場需保證較多工作人員在場的問題，設計了綜采自動化系統支架遠程操作臺。該操作臺通過實時操作系統任務和函數完成遠程控制邏輯功能，實現了對工作面支架單動、成組及跟機隨動動作的遠程控制和監控主機信息采集，促進了無人化開采的實現。

關鍵詞：綜采自動化； 支架遠程操作臺； 遠程控制； 信息采集； 無人化開采

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0904.005.html

0引言

目前我國煤礦安全形勢依舊嚴峻，綜采工作面事故高發。在環境危險、惡劣的綜采工作面實現少人或無人開采，直接減少采煤工作面的人員數量是減少人員傷亡、保障安全的重要手段[1]。由發生事故后被動的人員救險轉變為主動減少井下工人數量已在業內形成了共識，即無人則安。近年來，在實現綜采無人化方面取得了一些突破，取得了一批綜采自動化和智能化技術創新成果，一些礦井實現了綜采工作面少人化[2-5]。要達到少人或無人開采，將人員從工作面解放到工作面巷道監控中心或地面，就需要綜采系統具備遠程操控功能。本文設計了具有獨立控制核心、可與工作面和監控中心實時通信的支架遠程操作臺，實現了工作面巷道監控中心成套裝備“一鍵啟停”，提升了綜采自動化系統安全可靠程度。遠程操控實現了綜采系統取代井下工人的目標，從根本上保障了煤炭開采的安全、綠色和高效。

1綜采自動化系統概況

1.1系統結構

綜采自動化系統集成了自動控制技術、網絡通信技術、電氣防爆技術、液壓技術、流體控制技術等先進技術，能夠對綜采工作面液壓支架實施多功能、自動化控制，是集電子、液壓控制為一體的成套控制設備，可控制全工作面的液壓支架[6]。整個系統由工作面支架電液控制系統、工作面巷道監控系統、地面數據分析與調度系統3個層次組成，如圖1所示。

圖1　綜采自動化系統結構

1.2系統原理

支架電液控制系統以支架控制器為核心，以檢測環節的傳感器和由動作執行環節的電磁先導閥和液控主閥組成的閥組為輔助設備，組成一個最小支架控制單元[7]。支架控制器的內嵌操作系統一方面通過傳感系統完成工況、環境監測的數據采集，另一方面通過按鍵操作發出命令，執行支架的全部動作。每個支架控制單元之間以單線CAN總線技術互相連接成為一個通信網絡系統，形成第1層次的工作面支架電液控制系統，實現控制器間的數據通信。第2個層次是巷道監控主機與工作面支架遠程操作臺通過信號轉換器連接，形成上位機形式的監控系統，實現工作面支架電液控制系統的集中監測監控。第3個層次是地面計算機與井下巷道監控主機通過井下交換機連接，在地面完成數據分析，形成網絡信息發布系統。

1.3系統功能

工作面綜采自動化系統主要實現綜采信息數據采集、單動動作控制、成組自動控制、跟機自動控制等功能。綜采信息數據是系統執行自動控制功能的依據，單動動作控制是系統自動控制功能的初級功能；成組自動控制是建立在鄰架自動控制功能基礎上的中級控制功能，實現小組內支架的序列化動作；跟機自動化控制功能是綜采自動化系統的高級功能，實現全工作面的自動化操作。同時，系統還具有保障工作面安全的閉鎖、緊急停止、動作預報警、自動補壓、帶壓移架等功能。

信息數據采集功能包括支架上各傳感器檢測反饋和云臺攝像儀的視頻采集。傳感器反饋值主要用于控制器對支架的反饋控制；而云臺攝像儀的視頻信息則傳輸至工作面巷道監控中心，配合支架遠程操作臺完成工作面巷道的監控一體化。

支架遠程操作臺通過綜采自動化系統信息實時反饋來獲取工作面工況，將實時監控視頻作為依據來操控操作臺，完成支架遠程控制。

2支架遠程操作臺設計

2.1硬件實現

支架遠程操作臺的核心控制模塊采用M2378-CFNS20I工業控制核心板，其集成了LPC2378微控制器最小系統作為操作臺的主控CPU；硬件電路具有工業級的物理層芯片、復位電路以及12 MHz工業級有源晶振，保證了控制核心模塊的穩定可靠；集成2 MB的數據Flash，保障了足夠空間以供應用軟件開發擴展。遠程操作臺的核心功能實現需要穩定高效的數據通信模塊支持，本設計所選模塊在通信方面具有雙路CAN-bus接口，可實現操作臺與信號轉換器之間實時高效的數據信號傳輸；3路高速I2C總線與EEPROM存儲單元形成了穩定的數據存儲模塊，數據傳輸速度范圍為0～400 kbit/s；而內置URAT控制器用于支架遠程操作臺與監控主機間的數據通信，使操作臺具有向上發送工作面情況、向下指導工作面動作和自身數據存儲的完整通信體系。支架遠程操作臺面板如圖所示。

2.2軟件實現

綜采自動化系統支架遠程操作臺在以ARM7為核心的控制模塊上，通過μC/OSⅡ嵌入式實時操作系統完成軟件功能。根據實時操作系統搶占式的特點，通過對各個任務優先級合理排序，操作臺軟件可穩定高效地實現所有功能。支架遠程操作臺軟件設計依功能可分為按鍵處理及顯示、安全保護和操作臺通信3個部分，軟件架構如圖2所示。

圖2　支架遠程操作臺軟件架構

2.2.1按鍵處理及顯示

由于支架遠程操作臺需要具備可控制全工作面中間架的單動動作和成組動作的能力，故其面板功能齊全，按鍵較多。因此，按鍵處理程序將操作臺按鍵依面板排布順序劃分為4個區域，便于對不同功能按鍵進行不同類別的處理。第1和第3區域為單動動作按鍵，如圖3所示，當按鍵觸發后，信號通過I/O口傳遞到控制核心，軟件通過按鍵掃描程序將相應鍵值變量置位，之后再通過庫文件中按鍵與動作閾值對應關系將所觸發按鍵的動作閾值傳遞到CAN通信環節，實現單動按鍵處理。

圖3　單動動作按鍵

第2區域為預留備用功能和視頻切換功能按鍵，按鍵觸發后操作臺將相關命令通過串口轉發給主機，實現對工作面綜采情況的監視。第4區域為功能啟停及成組動作與數字選擇復用按鍵，如圖4所示。

圖4　第4區域按鍵

程序根據當前時刻操作臺功能執行所處環節而選擇相應類型的按鍵含義，功能選擇設置見表1。

不同于單動按鍵處理，成組動作啟動按鍵觸發后，程序會將庫文件中與所選成組動作對應的命令碼置入通信幀中，再傳遞到CAN通信環節，實現成組按鍵處理。

表1　數字按鍵區域功能選擇

2.2.2支架安全保護

綜采工作面的高度機械化也帶來一定安全風險，當采場人員較多時，機械可能會影響人員活動甚至造成危險，因此，對工作面電液控制系統動作的有效把控至關重要。支架遠程操作臺軟件上設計了急停、閉鎖和停止功能，分別對應緊急停止全工作面、鎖定操作臺控制和停止當前動作的安全需求。急停功能單獨設計為操作系統的最高優先級任務，當操作板上急停按鈕按下后，便立即執行急停動作，通過CAN總線向信號轉換器發送急停信號，再立即轉發到工作面控制器通信總線，使全工作面立即急停。為保證急停信號準確無誤傳出，設計1次急停信號在10 ms內由1號架和2號架交替轉發2次，避免了由信號干擾造成的1次信號傳遞失敗的情況。操作臺處于閉鎖狀態設定為無授權模式，需要輸入密碼、經主機授權后才能由閉鎖切換到其他控制檔位。而停止功能觸發前記錄操作臺控制的動作架號，觸發后僅發送停止信號到記錄架號，操作臺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。支架遠程操作臺的3類安全保護功能保障了工作面綜采安全指標，啟停一體化實現了工作面少人或無人化生產。

2.2.3操作臺通信

支架遠程操作臺作為綜采自動化系統的中間層執行單元，與上下層的通信為其主要功能。軟件上分別設計操作臺與主機的232通信架構和操作臺與信號轉換器的CAN通信架構。其中232通信包含4 byte幀頭數據、28 byte數據和2 byte CRC校驗信息，通過UART寫入函數發出，由監控主機接收，實現自動化系統上位機對信息的采集；同時，由UART接收函數獲取主機下發的授權數據幀，用于獲取操作臺密碼校驗成功后的控制權。而CAN通信是由指令發送任務與參數查詢發送及接收配對任務所組成，指令發送任務負責將動作指令和安全指令發送給信號轉換器，實現核心控制功能；參數查詢配對任務負責在一定周期內查詢并獲取工作面各動作參數。操作臺軟件還設計了EEPROM讀寫功能，可將獲取到的重要參數存儲在EEPROM硬件模塊上，實現操作臺參數數據的獨立斷電存儲。支架遠程操作臺通信功能如圖5所示。

圖5　支架遠程操作臺通信功能

2.3控制功能實現

支架遠程操作臺可實現遠程單動操作、遠程成組操作和遠程跟機隨動功能的啟停安全操控。單動即單個支架的動作控制功能，通過單動按鍵來觸發，用數字鍵選擇可單動區域內的任意架號，確定后工作面上相應架號的控制器即進入單動預警狀態。在預警狀態下，按下操作臺單動區域按鍵即可實現對應動作，按鍵抬起后動作停止，完成遠程單動動作操作。成組功能即多個支架按一定順序進行動作，通過成組左鍵或右鍵觸發成組動作起始架號選擇，以起始架號支架為基準，向左或向右連續相鄰的數量為成組范圍的支架根據控制邏輯進行動作。跟機隨動功能是指當工作面支架處于跟機自動化運行時，可通過操作臺實現人工遠程干預，按鍵選擇干預起始架號，可執行單動和成組隨動動作。

對于上述各功能，在某一動作執行過程中均可通過急停和停止按鍵來遠程停止支架動作。其中急停按鍵觸發全工作面急停，可實現任意狀況下全工作面的遠程一鍵啟停；停止按鍵可立即停止由操作臺操控的動作，實現常規工況下對工作面的精確啟停控制；同時設計閉鎖檔位，可將操作臺面板上各動作按鍵鎖定為操作無效。3種安全功能設計全面保障了支架遠程操作臺對工作面操控的安全性。

3結語

綜采自動化系統支架遠程操作臺采用嵌入式實時操作系統軟件架構，通過不同優先級的任務和函數設計實現邏輯功能，并將其搭載到M2378-CFNS20I工業控制核心板上，組成操作臺軟硬件控制核心單元。操作臺可將經邏輯處理后的控制信息通過CAN總線和232串口分別發送給工作面信號轉換器和監控主機，實現對工作面支架的遠程操作，包括單動、成組及跟機隨動動作，系統具有急停、停止和閉鎖的安全操控功能以及監控主機信息采集功能。目前，該支架遠程操作臺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移到監控中心，提升了綜采自動化程度及無人化開采水平。

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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工作，E-mail:strocyao@163.com。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA06A410)。

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2016-02-25；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD355.4

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 09:04

文章編號：1671-251X(2016)04-0019-04

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

姚鈺鵬.綜采自動化系統支架遠程操作臺設計[J].工礦自動化，2016,42(4)：19-22.