基于雙CAN總線的薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)研究

高 晉，田慕琴，許春雨，宋建成，宋單陽，蘭夢澈

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.礦用智能電器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024)

煤層厚度在1.3m以下的薄煤層工作面綠色、安全、高效開采一直是世界難題，我國薄煤層儲量約占全國總儲能的20%，但儲采比嚴(yán)重失衡。薄煤層采煤工作面作業(yè)空間狹小，人工作業(yè)困難。目前國內(nèi)薄煤層逐步實現(xiàn)了機(jī)械化開采，但設(shè)備使用率低、機(jī)電事故較多、自動化程度低。研究薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)為實現(xiàn)薄煤層自動化、智能化開采提供關(guān)鍵技術(shù)依據(jù)，對實現(xiàn)煤礦安全、高效、智能化開采具有現(xiàn)實意義[1]。

薄煤層液壓支架電液控制技術(shù)由國外引領(lǐng)，主要有德國marco、EEP以及美國JOY公司[3]，其電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)了液壓支架自動控制、狀態(tài)監(jiān)測與自動調(diào)整、系統(tǒng)故障診斷、遠(yuǎn)程一鍵啟停等功能。國內(nèi)的薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)在此技術(shù)上發(fā)展緩慢，僅可實現(xiàn)液壓支架電液控制系統(tǒng)的基本功能，包括就地單動作控制、成組動作控制、狀態(tài)信息檢測等[4]。但支架的自動跟機(jī)、頂板壓力實時監(jiān)測、姿態(tài)檢測控制技術(shù)等功能都處于研究狀態(tài)[7]，在薄煤層開采惡劣環(huán)境中，推進(jìn)智能快速開采，提高控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，實現(xiàn)在工作面巷道控制中心或地面控制中心對支架進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及煤礦智能化開采仍是研究熱點。

本文通過對薄煤層自動化采煤工藝研究，搭建一套集支架狀態(tài)信息檢測、控制、視頻、通信于一體的智能控制系統(tǒng)架構(gòu)，為實現(xiàn)薄煤層采煤工作面成套液壓支架整體、有效的集中、智能化控制作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 薄煤層自動化采煤工藝研究

國內(nèi)外主流的薄煤層機(jī)械化采煤工藝可分為螺旋鉆采煤技術(shù)、刨煤機(jī)采煤技術(shù)和滾筒式采煤技術(shù)[11]。滾筒式采煤技術(shù)適用于地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜的薄煤層，可以有效解決薄煤層開采壓煤問題，提高煤炭采出率。滾筒式采煤技術(shù)相對于刨煤機(jī)和螺旋鉆機(jī)采煤技術(shù)操作較為困難，構(gòu)造復(fù)雜。但相對于前兩種采煤機(jī)，滾筒采煤機(jī)工作效率更高。

薄煤層工作面實現(xiàn)智能化開采的關(guān)鍵是支架跟機(jī)過程的無人化操作。采煤機(jī)自工作面的一端進(jìn)刀，各循環(huán)中割煤、移架、推溜的方向一致。采煤機(jī)割煤后，液壓支架進(jìn)行追機(jī)移架，但不推移刮板輸送機(jī)，在采煤機(jī)與割煤反方向掃浮煤后，進(jìn)行追機(jī)推移刮板輸送機(jī)，將落下煤塊裝載到刮板輸送機(jī)上，同時為下一刀割煤做好準(zhǔn)備工作[13]。

雙立柱薄煤層液壓支架如圖1所示，其結(jié)構(gòu)簡單，移架速度快，可操作動作有10種，分別是升柱、降柱、推溜、拉架、提底、噴霧、伸側(cè)護(hù)幫、收側(cè)護(hù)幫、伸平衡梁、收平衡梁。支架跟機(jī)自動化控制是依據(jù)采煤機(jī)位置，按照采煤工藝和序列化的原則，進(jìn)行支架的自動控制[14]。依據(jù)壓力傳感器采集頂板壓力及時控制支架降、升動作，對工作面頂板、煤壁進(jìn)行有效管理。依據(jù)位移傳感器采集支架位置信息及時控制支架推、移動作等，實現(xiàn)支架自動遷移，保證采煤機(jī)與液壓支架互不干涉，刮板輸送機(jī)保持良好的運行姿態(tài)。

圖1 支架總體簡圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

薄煤層電液控制系統(tǒng)由地面主機(jī)、井下工作面巷道主機(jī)、控制器、隔離耦合器、先導(dǎo)閥驅(qū)動器、電液主控閥、各種傳感器、攝像儀等現(xiàn)場設(shè)備組成，要求體積小、集成度高、功率大，采用工業(yè)總線進(jìn)行通信[15]，硬件連接如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接

支架控制器是電液控制系統(tǒng)的下位機(jī)，一方面是工人手動控制平臺，通過電磁先導(dǎo)閥控制支架的各種動作。另一方面將各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總，上傳至上位機(jī)。井下工作面巷道主機(jī)直接對支架進(jìn)行點動、成組、一鍵啟停等遠(yuǎn)程控制，通過煤礦通訊環(huán)網(wǎng)與井上主機(jī)進(jìn)行信息交換和通信。

2.2 支架控制器硬件設(shè)計

支架控制器由中央處理單元、配置單元、通信單元、人機(jī)交互單元、驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元、紅外信號接收單元等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 支架控制器硬件簡圖

中央處理單元選用STM32F407ZGT6單片機(jī)，采用Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核，工作頻率168MHz，集成了高速嵌入式存儲器(1MB的閃存，192kbytes的SRAM)，4kbytes的備份SRAM，外設(shè)有四個USART和兩個UART、兩個DMA控制器、兩個包含CAN通信接口。

支架控制器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)互相輔助，控制器為攝像儀供電、控制其開和關(guān)，提供數(shù)據(jù)傳輸通道；視頻監(jiān)控系統(tǒng)在工作面巷道主機(jī)實時調(diào)用、切換，實現(xiàn)全工作面跟隨采煤機(jī)的無人視頻監(jiān)控，輔助操作人員控制。

2.3 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性和兼容性，本系統(tǒng)設(shè)置兩路RS485通信，用于支架控制器間的左右通訊；兩路CAN總線通信，用于工作面巷道主機(jī)和支架控制器的通訊，通信線路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信線路

兩路RS485通信可實現(xiàn)左鄰架通信和右鄰架通信，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力如圖5所示。由圖5可知，每條通信包括CPU，光耦隔離、MAX485、防高壓侵入保護(hù)電路[17]。保證了通信信號與RS485通信協(xié)議信號的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)安全、可靠。

圖5 RS485通信

斯密特觸發(fā)反相器可將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動的輸入信號，保證進(jìn)入CPU的有效信號沿的陡峭度，提高M(jìn)AX485芯片通信的可靠信。

雙CAN總線通信，包括用于遠(yuǎn)程控制液壓支架動作的操作命令總線和用于對整個工作面液壓支架信息查詢的輪詢總線。輪詢總線也具有急停功能，以應(yīng)對命令總線出現(xiàn)故障的情形。本系統(tǒng)使用的單片機(jī)集成了2路自帶控制器的CAN總線接口，外圍電路只需增加ADM3053對CAN總線的通訊進(jìn)行隔離保護(hù)，防止電磁干擾造成通訊異常。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)功能分析

薄煤層液壓支架智能化控制可總結(jié)為“以就地控制為基礎(chǔ)、工作面巷道主機(jī)遠(yuǎn)程控制為主，地面監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的工作面智能化生產(chǎn)模式。

就地控制模式是工人在支架控制器人機(jī)交互界面上直接操作控制，操作本臺液壓支架控制器通過RS485串口通信，向鄰近控制器發(fā)送命令，控制鄰近液壓支架動作。實現(xiàn)雙向鄰架單架單動作控制功能、成組動作、急停閉鎖功能、降-移-升動作程序(小循環(huán))自動控制、系統(tǒng)自動編號功能和支架狀態(tài)監(jiān)測功能。按操作規(guī)程要求操作支架不動作，且左右控制范圍不超過鄰近3臺支架[19]。

遠(yuǎn)程控制模式中，設(shè)備列車中的工作面巷道主機(jī)通過雙CAN總線對整個工作面任意一臺或成套支架控制器進(jìn)行操控，包括單動作、急停等命令發(fā)送、監(jiān)控畫面切換、參數(shù)修改、程序在線升級等。支架控制器將液壓支架頂板壓力、推移行程、采煤機(jī)位置、方向等信息實時監(jiān)測、處理上傳至工作面巷道主機(jī)顯示并存儲。依據(jù)采煤機(jī)位置，調(diào)用當(dāng)前位置的視頻監(jiān)控畫面，下發(fā)具體工藝段指令，實現(xiàn)支架自動跟蹤采煤機(jī)，完成自動降—移—升、自動推溜、自動拉架等自動化采煤作業(yè)流程。井上主機(jī)完成整個系統(tǒng)的監(jiān)視、與井下工作面巷道主機(jī)進(jìn)行通信、發(fā)布生產(chǎn)任務(wù)信息等工作

3.2 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用的CPU芯片包含6路串口，均可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的異步、全雙工RS485通信，通過配置通信芯片控制引腳切換接收發(fā)送狀態(tài)。設(shè)定所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的每個數(shù)據(jù)字節(jié)共使用10位：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位。就地控制模式下按照協(xié)議格式進(jìn)行鄰架通訊。數(shù)據(jù)包括單功能控制命令代碼、成組控制命令代碼以及參數(shù)命令代碼等，單功能數(shù)據(jù)通信設(shè)計為9位的數(shù)據(jù)傳輸格式，功能碼CMDTYPE+操作支架編號+目標(biāo)支架編號+3位動作碼+支架數(shù)量+2位校驗碼；成組命令和參數(shù)命令代碼設(shè)計為11位的數(shù)據(jù)傳輸格式。兩位校驗碼是在發(fā)送程序中，通過程序的運行對命令代碼的每一位依次進(jìn)行CRC校驗所生成，然后將該命令代碼一并發(fā)送到相鄰支架控制器中進(jìn)行CRC校驗，校驗成功即為通信成功[19]?？紤]井下環(huán)境復(fù)雜，通信干擾源較多，通信設(shè)計為3次發(fā)送機(jī)制，每次通信失敗后，連續(xù)進(jìn)行兩次發(fā)送，持續(xù)失敗則進(jìn)行通信故障報警。

遠(yuǎn)程控制模式中，上位機(jī)和支架控制器之間通過雙CAN總線通信，用于操作命令的總線只在操作者需要對支架進(jìn)行操作或查詢傳感器數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置時才需要收發(fā)數(shù)據(jù)，其他時間總線空閑；輪詢總線根據(jù)需要設(shè)定一定的頻率后，不停地在傳輸數(shù)據(jù)以實現(xiàn)上位機(jī)對支架狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，程序流程如圖6所示。

圖6 雙CAN總線通信程序流程圖

本設(shè)計采用ISO11898高速通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速率最高可達(dá)1Mbps。物理層特性如圖7所示。顯性電平對應(yīng)邏輯0，CAN_H 和 CAN_L 之差為 2.5V 左右；隱性電平對應(yīng)邏輯 1，CAN_H 和 CAN_L 之差為 0V。在總線上顯性電平具有優(yōu)先權(quán)，只要有一個單元輸出顯性電平，總線上即為顯性電平；只有所有的單元都輸出隱性電平，總線上才為隱性電平。另外，在CAN總線的起止端都有一個120Ω的終端電阻，來做阻抗匹配，以減少回波反射。

圖7 CAN協(xié)議物理層特性

在設(shè)計基于CAN總線通信系統(tǒng)時，確定CAN信息標(biāo)識符的分配非常關(guān)鍵[20]。它決定了信息相關(guān)的優(yōu)先權(quán)和信息的等待時間，也影響了信息濾波適用性、合理的通信結(jié)構(gòu)適用性和標(biāo)識符使用效率。CAN協(xié)議沒有規(guī)定信息標(biāo)識符的分配，只是定義了標(biāo)準(zhǔn)格式11位的標(biāo)識符和擴(kuò)展格式29位的標(biāo)識符，每數(shù)據(jù)幀最多傳送8字節(jié)數(shù)據(jù)。為滿足薄煤層電液控制系統(tǒng)的具體通信要求，設(shè)計專用的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議。

首先定義強(qiáng)制性的29位標(biāo)識符分配方案，基本ID從ID28到ID18，擴(kuò)展ID由ID17到ID0表示，標(biāo)識符格式見表1，這些標(biāo)識符在就緒狀態(tài)時可以使用。

表1 標(biāo)識符格式

協(xié)議中規(guī)定高4位作為協(xié)議號，用來表示傳輸數(shù)據(jù)所遵循的子協(xié)議，不同的子協(xié)議對應(yīng)不同的8字節(jié)數(shù)據(jù)分配方法。協(xié)議號與功能相對應(yīng)，其對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 功能與協(xié)議號對應(yīng)關(guān)系

中間10位作為數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)地址，高4位依據(jù)連續(xù)的高電平可分為4個網(wǎng)段，后6位根據(jù)采煤機(jī)方向進(jìn)行編址，編址的大小方向與運行方向相同，源地址格式與目標(biāo)地址格式相同。保證了CAN總線最多包含256個節(jié)點，滿足薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)的需要。

該設(shè)計總線上所有單元都可以檢測錯誤，有誤的單元會立即同時通知其他所有單元，正在發(fā)送消息的單元會強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。

4 通訊實驗

4.1 RS485通信實驗

為驗證RS485通信能否滿足薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)的就控制模式，對三臺支架控制器進(jìn)行鄰架操作10個動作點動控制實驗。支架號從小到大排序成功后，初始化顯示當(dāng)前支架編號、采煤機(jī)是否位于本架位置和壓力、行程初始值，在支架控制器1的人機(jī)交互界面上按左預(yù)選鍵，可選定支架控制器2和3。按下不同的動作按鈕，被控支架控制器顯示面板顯示動作圖案和壓力參數(shù)值，正常反饋動作信息；蜂鳴器發(fā)出響聲，表示其正在動作，響應(yīng)時間為毫秒級別。

實驗結(jié)果表明，支架控制器通過RS485通信能準(zhǔn)確、快速控制鄰架，實現(xiàn)系統(tǒng)在就地控制模式下自動編號功能和鄰架控制功能。

4.2 CAN通信實驗

為驗證CAN通信能否滿足薄煤層液壓支架電液控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模式，搭建上位機(jī)和30臺支架控制器，設(shè)計實驗如下：實驗1，上位機(jī)向支架控制器發(fā)送急停控制命令；實驗2，支架控制器定時向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

為驗證實驗1，按照已定協(xié)議上位機(jī)在程控模式下通過CAN總線向支架控制器11發(fā)送急停命令。為驗證實驗2，支架控制器28按下閉鎖按鈕，此時鄰架控制器27和29也處于閉鎖狀態(tài)CAN通信標(biāo)識符設(shè)為0x00AA的控制器定時向上位機(jī)傳輸8位數(shù)據(jù)。支架控制器11為急停支架，整個工作面處于急停狀態(tài)；上位機(jī)任意時間可顯示采煤機(jī)位置、支架控制器急停、閉鎖狀態(tài)、壓力、位移數(shù)據(jù)信息等。

實驗結(jié)果表明上位機(jī)通過雙CAN總線能準(zhǔn)確對支架控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程命令操作和支架狀態(tài)信息傳輸，而且，工作面支架狀態(tài)信息數(shù)據(jù)傳輸為毫秒級別，具備實時性。

5 結(jié) 論

1)通過對薄煤層自動化采煤工藝的研究，提出了一種成套液壓支架集中遠(yuǎn)程自動化、智能化控制方法，完成了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了液壓支架智能控制。

2)系統(tǒng)能實現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地控制支架的各種動作，實驗表明系統(tǒng)通訊穩(wěn)定、快速。