智能型液压支架面板控制器设计

2022-01-25马海峰

机械管理开发 2021年11期

马海峰

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西朔州 038300）

引言

液压支架是煤矿综采工作面“三机”（采煤机、刮板输送机和液压支架）设备之一，该设备的安全、稳定、可靠运行直接关系到综采工作面的生产效率。世界上各个煤矿综采工作面采用较多的液压支架电液控制系统包括德国的PM4液压支架电液控制器[1-2]，其以单片机为核心控制器，采用BIDI Bus数据通信模式，通信速率仅为56 kbit/s，且该通信协议为私有协议，修改较为困难；德国的PM31、PM32液压支架电液控制器[3]及美国的RS20控制器[4-5]在适应性、后期服务及配件更换成本等方面受到制约。德国生产PM31的德国玛坷公司（MARCO）以矿业用户需求为服务宗旨[6]，主要经营PM23支架控制器的销售，该支架控制器以微处理技术作为核心，数据处理能力较弱；采用BIDI Bus与T Bus相结合的数据通信模式，即在支架控制器间采用BIDI Bus通信，在全综采工作面采用TBus通信，通信速率为19.2kbit/s，支架控制器间数据传输的实时性较差、丢包率较高，且BIDI Bus与T Bus为私有协议，实现较为复杂。神东矿区、大同矿区、阳泉矿区等煤矿引进了部分国外液压支架电液控制器，使用效果较好，但价格昂贵、设备维护和维修较为困难。液压支架动作时，需依靠液压支架面板控制器进行操作，完成降柱、移架、升柱等动作。本文基于STM32F103ZET6芯片，设计液压支架面板控制器，改善液压支架操作性能，提升液压支架动作效率。

1 设计要求

1.1 性能要求

为实现对液压支架的安全、有效、实时控制，液压支架电液控制面板必须满足下述要求：

1）硬件元部件必须能够在-20～60℃稳定工作；硬件电路板必须作“三防”处理，壳体设计达到IP等级标准；考虑薄煤层煤矿井下空间狭小，液压支架空间有限，硬件部分的体积越小越好，并保证外壳防爆、电气性能满足要求。

2）硬件设计需满足综采工作面液压支架电液控制功能要求，具体如下：具备控制外围设备如压力传感器、位移传感器、红外传感器、电磁阀组、电源转换等数字量，模拟量的功能；具备液压支架单体控制功能，如移架、推溜、伸/缩护帮板、伸/收侧护板、升/降柱等操作，还包括单体液压支架顺序联动，如“降柱→移架→升柱”“抬底→移架”等；具备液压支架群体控制功能，如成组移架、成组推溜、成组“降柱→移架→升柱”“抬底→移架”等，还包括自动跟机功能；具备自动补压、急停/闭锁、故障报警功能。

1.2 控制要求

根据综采工作面液压支架使用实际工况要求，液压支架电液控制面板有主控模式、从控模式、空闲模式及闭锁模式四种，具体介绍如下：

1.2.1 主控模式

主控模式是指该液压支架电液控制器执行本架液压支架控制程序，控制本架液压支架动作。在主控模式下，该液压支架电液控制器不接收任何其他液压支架电液控制器指令，但可接收急停和闭锁指令。

1.2.2 从控模式

从控模式是指该液压支架电液控制器执行非本架液压支架控制程序，控制本架液压支架动作。在从控模式下，除急停和闭锁指令外，不接收其他任何控制指令。

1.2.3 空闲模式

空闲模式是指该液压支架电液控制器没有接收到任何控制指令，处于空闲状态，等待接收本架液压支架或非本架液压支架控制器按键指令。

1.2.4闭锁模式

闭锁模式用于液压支架需要维修或者出现故障时，液压支架系统进入闭锁模式。在闭锁模式下，液压支架控制器不接收任何外部指令，也不作任何动作。

2 系统设计

2.1 面板设计

液压支架电液控制器人机界面面板正面如图1所示，具体由键盘、显示屏及按钮组成。键盘用于菜单设置、参数设定、命令启动等，由数字键、功能键、命令键组成；显示屏用于显示液压支架状态信息、各传输数据及支架信息等，采用240×180的点阵式字符显示屏[7-8]。按钮包括闭锁按钮和急停按钮，按下急停按钮后，邻架控制、自动喷雾、自动补压动作不受影响。急停、闭锁动作时，拍下对应按钮即可；解除时，需右旋拨出。

图1 液压支架电液控制器人机界面面板正面设计

液压支架电液控制器人机界面面板背面如图2所示，共有12个电缆插口供电缆接线，通过电缆将液压支架人机界面与液压支架控制器从站相连，完成液压支架动作控制。A1口用于CAN专用通信电缆经隔离耦合器后连接左邻架，F1口用于CAN专用通信电缆经隔离耦合器后连接右邻架；A2口用于连接CAN总线通信提升器；D2口用于连接安装在液压支架机身的红外传感器；F2口用于连接电磁驱动器；C1口用于连接压力传感器；D1口用于连接位移传感器；其他口为备用，需用专用的堵头封口。

图2 液压支架电液控制器人机界面面板背面设计

液压支架电液控制系统人机界面面板按键功能说明如表1所示，一共有10个数字键、15个液压支架操作键、2个按钮键、13个功能键，组合完成对液压支架动作控制及LED显示屏的操作。

表1 液压支架电液控制系统人机界面面板按键统计

液压支架电液控制系统人机界面面板“LED小窗口”，如图3所示。其中，LED灯“LO”为闭锁指示灯，指示红色时，为闭锁指示（闭锁时亮）；LED灯“ON”为电源指示灯；LED灯“R”为复位指示灯。人机界面面板中较大的发光二极管为液压支架动作警示灯，液压支架动作时，该警示灯以一定的频率亮-灭-亮，同时伴有蜂鸣声。较小的发光二极管为支架控制器控制模式指示灯，为绿色时，表明该支架控制器为主控制器，处于主控模式；为红色时，表明该支架控制器为从控制器，处于从控模式。

图3 LED小窗口指示

2.2 核心电路设计

液压支架电液控制系统人机界面面板键盘电路基于MAX6955AAI芯片机型键盘扫描和控制。该芯片有P0—P4五条I/O扩展线，将P0—P3设置为键盘输入，可自动完成32个矩阵开关的自动扫描、防抖及控制[9-10]。将P4设置为IRQ输出，当有按键按下并确定向STM32F103ZET6控制器发送中断请求时，该P4口有效。电阻R11与C13组成该芯片的振荡电路，为芯片工作提供时钟源。根据操作面板键盘功能，利用二极管、按键指示灯及状态指示灯组成键盘矩阵电路，为操作面板提供键盘功能。

键盘电路与操作面板按键对应如表2所示，包含了液压支架控制按键，如“启动键”“推溜键”等；界面控制键，如“左界面”“右界面”等；液压支架参数设置按钮，如“设置键”等。