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數據通信模式，通信速率僅為56 kbit/s，且該通信協議為私有協議，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）以礦業用戶需求為服務宗旨[6]，主要經營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，數據處理能力較弱；采用BIDI Bus與T Bus相結合的數據通信模式，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，支架控制器間數據傳輸的實時性較差、丟包率較高，且BIDI Bus與T Bus為私有協議，實現較為復雜。神東礦區、大同礦區、陽泉礦區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，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故障時，液壓支架系統進入閉鎖模式。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、參數設定、命令啟動等，由數字鍵、功能鍵、命令鍵組成；顯示屏用于顯示液壓支架狀態信息、各傳輸數據及支架信息等，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專用通信電纜經隔離耦合器后連接左鄰架，F1口用于CAN專用通信電纜經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人機界面面板按鍵功能說明如表1所示，一共有10個數字鍵、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人機界面面板按鍵統計

液壓支架電液控制系統人機界面面板“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。根據操作面板鍵盤功能，利用二極管、按鍵指示燈及狀態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人機界面面板顯示電路基于12854L型OLED實現，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位并行數據接口、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人機界面面板性能要求及控制要求。

2）根據人機界面面板性能、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。