综采自动化系统支架远程操作台设计.pdf

第 4 2卷 第 4期 Z 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o r n a t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Ap r ．2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 1 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 0 5 姚钰鹏． 综采 自动化系统支架远程操作台设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 1 9 2 2 ． 综采 自动化系统文架远程操作台设计 姚 钰 鹏 北京天地玛珂 电液控制系统有限公 司， 北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 针 对现 有 工作 面综采 自动化 系统 以人 工操 作控制 器 为主要 控制 手段 ， 采 场 需保 证较 多工作人 员在 场 的 问题 ， 设计 了综采 自动 化 系统 支架远程 操作 台。该操 作 台通 过 实时操 作 系统任 务和 函数 完 成远 程 控 制 逻辑 功 能 ， 实现 了对 工作 面支 架单动 、 成组及 跟机 随 动动 作 的远 程控 制 和监 控 主机 信 息采 集 ， 促 进 了无 人 化 开采 的 实现 。 关键 词 综 采 自动化 ；支架远程操 作 台；远程控 制 ； 信 息 采集 ； 无人 化 开采 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 0 5 0 9 0 4 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 0 9 0 4 ． 0 0 5 ． h t ml De s i gn o f r e mo t e o pe r a t i ng s t a t i o n o f s u p po r t o f f u l l y me c h a n i z e d a ut o ma t i o n s y s t e m YAO Yu pe n g B e i j i n g Ti a n d i Ma r c o El e c t r o n i c Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Co mp a n y L t d． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e m t h a t e x i s t i n g f u l l y me c h a n i z e d a u t o ma t i o n s y s t e m o f wo r k i n g f a c e t a ke s ma n ua l op e r a t i o n me a ns a s ma i n c o nt r o l me a ns whi c h n e e d s m o r e s t a f f p r e s e nt ，a r e mot e o pe r a t i n g s t a t i o n o f s up p or t o f f ul l y me c ha ni z e d a ut o m a t i o n s y s t e m wa s de s i g ne d．The o p e r a t i ng s t a t i on c o m p l e t e s l o g i c f u n c t i o n s o f r e mo t e c o n t r o l t h r o u g h r e a l t i me o p e r a t i n g s y s t e m t a s k s a n d f u n c t i o n s ，a c h i e v e s r e mo t e c o n t r o l o f s i n g l e a c t i o n，g r o u p a n d ma c h i n e f o l l o wi n g a c t u a t i o n o f wo r k i n g f a c e a n d i n f o r ma t i o n c o l l e c t i o n of mo ni t or i n g ho s t ，wh i c h p r o m o t e s r e a l i z a t i on o f un m a n ne d m i n i ng． Ke y wo r d sf ul l y me c ha ni z e d a u t o m a t i o n； r e mo t e o p e r a t i n g s t a t i o n o f s up po r t； r e mot e c on t r ol ； i nf o r ma t i on c o l l e c t i on；u nma n ne d mi n i ng 0 引言 目前我国煤矿安全形势依 旧严峻， 综采工作面 事故高发。在环境危险、 恶劣的综采工作面实现少 人或无人开采 ， 直接减少采煤工作面的人员数量是 减少人员伤亡、 保障安全 的重要手段_ 1 ] 。由发生事 故后被 动 的人 员 救险转 变为 主动减 少井 下工 人数量 已在业 内形成了共识 ， 即无人则安 。近年来 ， 在实现 综 采无 人化 方面取 得 了一 些 突破 ， 取 得 了一 批综 采 自动化和智能化技术创新成果 ， 一些矿井实现了综 采工作面少人化_ 2 ] 。要达到少人或无人开采 ， 将人 员从工作面解放到工作面巷道监控 中心或地面 ， 就 需要 综 采系统 具备 远程 操控 功 能 。本 文设 计 了具有 独立控制核心 、 可与工作 面和监控 中心实时通信 的 支架远程操作 台， 实现了工作面巷道监控 中心成套 装备“ 一键启停” ， 提升了综采 自动化系统安全可靠 程度 。远程操控实现了综采系统取代井下工人 的目 标 ， 从根本上保障了煤炭开采的安全 、 绿色和高效。 1 综 采 自动 化 系统概 况 1 ． 1 系统 结构 综采 自动化系统集成了 自动控制技术 、 网络通 信技术、 电气防爆技术、 液压技术、 流体控制技术等 先进技术 ， 能够对综采工作面液压支架实施多功能、 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 2 3 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 2 2 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 0 。 作者简介 姚钰鹏 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河北定州人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 从事嵌入式软件研 发工作 ， E - ma i l s t r o c y a o 1 6 3 ． t o m。 2 0 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 自动化控制 ， 是集电子 、 液压控制为一体的成套控制 设备 ， 可 控制 全 工 作 面 的 液压 支 架 。整 个 系 统 由 工作面支架电液控制系统 、 工作面巷道监控系统、 地 面数 据 分析 与调 度 系统 3个层 次组 成 ， 如 图 1 所示 。 网线 ■ 矿井网络光缆 地 面调度室 I 路 由 j 圃 亘 面 I 隔爆监控主机 l I 二 l l 1支 架 远 程 操 作 台 H 信 号 转 换 器 1 胙 而 巷道监控 中心 作 面 端 尾 匡 萎 强A 堡 鼬工 作 面 端 头 图 i 综采 自动化 系统结构 1 ． 2 系统原 理 支 架 电液 控 制 系统 以支 架 控制 器 为 核 心 ， 以检 测环节的传感器和由动作执行环节的电磁先导阀和 液控主阀组成的阀组 为辅助设备 ， 组成一个最小支 架控制单元l_ 7 ] 。支架控制器的内嵌操作系统一方面 通过传感系统完成工况 、 环境监测的数据采集 ， 另一 方面通过按键操作发出命令 ， 执行支架的全部动作 。 每个支架控制单元之间以单线 c AN 总线技术互相 连接成为一个通信 网络系统 ， 形成第 1层次的工作 面支架电液控制 系统 ， 实 现控制器 间的数据通信 。 第 2个层次是巷道监控主机与工作面支架远程操作 台通过信号转换器连接 ， 形成上位机形式 的监控系 统， 实现工作面支架 电液控制系统的集中监测监控 。 第 3个层次是地面计算机与井下巷道监控主机通过 井下交换机连接 ， 在地面完成数据分析， 形成网络信 息发 布 系统 。 1 ． 3 系统功 能 工作面综采 自动化系统主要实现综采信息数据 采集 、 单动动作控制 、 成组 自动控制、 跟机 自动控制 等功能 。综采信息数据是系统执行 自动控制功能的 依据 ， 单动动作控制是系统 自动控制功能 的初级功 能 ； 成组 自动控制是建立在邻架 自动控制功能基础 上的中级控制功能 ， 实现小组内支架 的序列化动作 ； 跟机 自动化 控制功能是综采 自动化系统 的高级功 能 ， 实现全工作面的自动化操作 。同时 ， 系统还具有 保障工作面安全 的闭锁、 紧急停止、 动作预报警、 自 动补压 、 带压移架等功能 。 信息数据采集功能包括支架上各传感器检测反 馈和云 台摄像仪 的视频采集。传感器反馈值主要用 于控制器对支架 的反馈控制； 而云台摄像 仪的视频 信息则传输至工作面巷道监控中心， 配合 支架远程 操作台完成工作面巷道的监控一体化 。 支架远程操作台通过综采 自动化系统信息实时 反 馈来 获取 工作 面 工 况 ， 将 实 时 监 控视 频 作 为依 据 来 操控 操作 台 ， 完成 支架 远程 控制 。 2支 架远 程操 作 台设计 2 ． 1硬 件 买现 支架远程操作台的核心控制模块采用 M2 3 7 8 一 C F N S 2 0 I 工业控制核 心板 ， 其集 成 了 L P C 2 3 7 8微 控 制器 最小 系统 作为 操作 台的 主控 C P U； 硬件 电路 具有 工 业级 的物 理 层 芯 片 、 复位 电 路 以及 1 2 M Hz 工业级有源晶振 ， 保证 了控制核心模块的稳定可靠； 集成 2 MB的数据 F l a s h ， 保 障 了足够 空 间 以供 应 用 软 件开 发扩 展 。远程 操作 台的核 心功 能实现 需要 稳 定高效 的数据通信模块支持 ， 本设计所选模块在通 信方面具有双路 C AN b u s 接 口， 可实现操作 台与信 号转换 器之间实时高效 的数据信 号传输 ； 3路高速 I C总线与 E E P R OM 存储单元形成 了稳定 的数据 存储模块 ， 数据传输速度范 围为 0 ～4 0 0 k b i t ／ s ； 而 内置 UR AT控制器用于支架远程操作台与监控主 机间的数据通信 ， 使操作 台具有向上发送工作面情 况 、 向下指导工作面动作和 自身数据存储 的完整通 信体系 。支架远程操作台面板如图所示 。 2 ． 2 软件 实现 综 采 自动 化 系 统 支 架 远 程 操 作 台 在 以 ARM7 为 核心 的控 制模 块上 ， 通 过 t c ／ os I I 嵌入 式 实 时 操 作系统完成软件功能 。根据实时操作系统抢 占式的 特点， 通过对各个任务优先级合理排序 ， 操作 台软件 可稳定高效地实现所有功能。支架远程操作 台软件 设计依功能可分为按键处理及显示 、 安全保护和操 作台通信 3个部分 ， 软件架构如图 2所示。 操作台与主机 通过串口通信 任 嘉 }． _ 嘉 毳 咎 器 票 H 远 程 动 作 功 能 l I急 止 l I c A N 通 信 数 据 接 收 与 存 储 I I 安 全 功 能 l l “ 图 2 支架远程操作 台软件架构 2 2 工 矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 而停止功能触发前记录操作台控制 的动作架号 ， 触 发后仅发送停止信号到记录架号 ， 操作 台既可有效 停止 自身操控的支架 ， 也可避免停止工作 面其他支 架 ， 保 证 了其 操 控 的 精 确 性 。支 架 远 程 操 作 台 的 3类安全保护功能保障 了工作面综采安全 指标 ， 启 停一体化实现了工作面少人或无人化生产。 2 ． 2 ． 3 操作台通信 支架远程操作台作为综采 自动化系统的中间层 执行单元 ， 与上下层的通信为其主要功能。软件上 分别设计操作台与主机的 2 3 2通信架构和操作台与 信号转换器的 C AN通信架构。其 中 2 3 2通信包含 4 b y t e帧头数据、 2 8 b y t e 数据和 2 b y t e C RC校验 信息 ， 通过 UAR T写入函数发出， 由监控主机接收， 实现 自动化 系 统上 位 机对 信 息 的采集 ； 同时， 由 UAR T接 收 函数获 取 主机下 发 的授权 数 据 帧 ， 用 于 获取操作台密码校验成功后的控制权 。而 C AN通 信是由指令发送任务与参数查询发送及接收配对任 务所组成 ， 指令发送任务负责将动作指令和安全指 令发送给信号转换器 ， 实现核心控制功能； 参数查询 配对任务负责在一定周期 内查询并获取工作面各动 作参 数 。操 作 台 软 件 还 设 计 了 E E P Ro M 读 写 功 能 ， 可 将获 取 到 的重 要 参 数 存 储 在 E E P R OM 硬 件 模块上 ， 实现操作 台参数数据 的独立断电存储 。支 架远程操作台通信功能如图 5所示 。 授权信息 采煤机位 置、控 制器参数 串口 2 3 通 2 信l茎 墨 至 堡 堡 查 动功能是指当工作面支架处于跟机 自动化运行时， 可通过 操作 台实 现 人 工 远程 干预 ， 按 键 选 择 干 预 起 始架号 ， 可执行单动和成组随动动作 。 对 于上 述各 功 能 ， 在 某 一 动作 执 行 过程 中均 可 通过急停和停止按键来远程停止支架动作 。其中急 停按键触发全工作面急停 ， 可实现任意状况下全工 作面的远程一键启停 ； 停止按键可立 即停止 由操作 台操控 的动作 ， 实现常规工况下对工作面 的精确启 停控制 ； 同时设计闭锁档位 ， 可将操作 台面板上各动 作按键锁定为操作无效。3种安全功能设计全面保 障了支架远程操作台对工作面操控的安全性 。 3 结 语 综采 自动化系统支架远程操作台采用嵌入式实 时操作系统软件架构， 通过不同优先级的任务和函 数 设 计 实 现 逻 辑 功 能， 并 将 其 搭 载 到 M2 3 7 8 一 C F NS 2 0 I 工业控制核心板上 ， 组成操作 台软硬件控 制核心单元 。操作台可将经逻辑处理后的控制信息 通过 C AN总线和 2 3 2串口分别发送给工作面信号 转换器和监控主机 ， 实现对工作面支架的远程操作 ， 包括单动、 成组及跟机随动动作 ， 系统具有急停 、 停 止和闭锁的安全操控功能以及监控主机信息采集功 能 。目前 ， 该支架远程操作 台已在某些煤矿综采工 作面投入使用， 成功将综采人工操作从工作面转移 到监控 中心 ， 提升了综采 自动化程度及无人化开采 水 平 。 参考文献 通信 I 信号转换器l 鑫老寺啬 } 操作 台当前 指令状 态信 息 动作／ 安全指令 、 参数查询信息 图 5 支架远程操作 台通 信功能 2 ． 3 控 制 功能 实现 支架远程操作 台可实现远程单动操作 、 远程成 组操作和远程跟机随动功能的启停安全操控 。单动 即单个支架的动作控制功能 ， 通过单动按键来触发， 用数字键选择可单动区域 内的任意架号 ， 确定后工 作面上相应架号的控制器即进入单动预警状态。在 预警状态下 ， 按下操作 台单动区域按键 即可实现对 应动作 ， 按键抬起后动作停止 ， 完成远程单动动作操 作。成组功能即多个支架按一定顺序进行动作 ， 通 过成组左键或右键触发成组 动作起始架号选择 ， 以 起始架号支架为基准， 向左或向右连续相邻 的数量 为成组范围的支架根据控制逻辑进行动作。跟机随 [ 1 ] 孙继平． 煤 矿 自动 化 与 信息 化 技 术 回顾 与 展望 C J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O l O ， 3 6 6 2 6 3 0 ． E 2 ] 王国法． 综采 自动化智 能化无人 化成套 技术 与装备 发 展方向[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 o 1 4 ， 4 2 9 3 0 3 4 ． [ 3 ] 付国军 ， 杨 明亮 ， 许太 山． 综采无 人工作 面 的整体设 计 与实现 方 法 的 构 想 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 o 1 3 ， 3 9 1 3 9 4 2． [ 4 ] 王金华 ， 黄乐亭 ， 李首滨 ， 等． 综采工作面智能化技 术与 装备的发展[ J ] ． 煤炭学报， 2 o 1 4 ， 3 9 8 1 4 1 8 1 4 2 3 ． [ 5 ] 张 良， 李首滨 ， 黄曾华 ， 等． 煤矿综采工作面无人化 开采 的内涵与实现口] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 4 ， 4 2 9 2 6 2 9 ． [ 6 ] 田成金 ， 魏文艳 ， 朱小林． 基 于 S AC型液压支架 电液控 制系统的跟 机 自动 化技 术 研究 [ J ] ． 煤 矿 开采 ， 2 0 1 2 ， 1 7 2 4 6 5 0 ． [ 7 ] 李 首 滨． 国产 液压 支 架 电液 控 制 系统 技 术 现状 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 5 3 5 6 ．