综采自动化工作面液压支架端头控制器集中控制系统开发

摘要

本课题是山西省重大专项“全自动国产无人综采工作面技术装备研发”（项目编号:20111101024）的子课题，也是国家国际科技合作专项项目“无人值守工作面液压支架电液控制系统的研制”（项目编号:2013DFA70750）的重要组成部分，是针对如何提高综采工作面液压支架电液控制系统自动化控制水平这一问题提出来的。本文结合高产高效综采工作面的生产工艺和实际要求，以提高工作面自动化程度，实现少人值守为目标，制定了基于端头控制器的集中控制策略，研发了一套基于双RS485总线的液压支架端头控制器集中控制系统，进行了实验室测试和现场调试，并投入到晋煤集团古书院矿综采工作面示范应用。实际运行效果表明，该系统符合设计要求，能够满足综采自动化工作面的生产需求，可以远程采集、传输和存储液压支架的运行参数，进行故障预警及诊断，并实现集中控制。主要研究内容如下:
　　通过查阅大量的国内外文献，经过多次对综采工作面液压支架及电液控制系统运行情况调研以后，总结分析了煤矿综采工作面液压支架电液控制系统发展趋势及控制模式，确定了液压支架端头控制器集中控制系统的控制策略、框架结构和功能要求。集中控制系统由一台防爆计算机、一台端头控制器和多台液压支架架间控制器组成。
　　基于综采自动化工作面的生产工艺和控制要求，设计了端头控制器的控制模式，采用RS485双总线通讯模式，一条总线用于巡检液压支架的状态参数，为实现远程在线监测提供可靠稳定的判断依据和数据保障;另一条总线用于集中控制，通过巡检液压支架的状态参数来确定采煤机的位置，进而向架间控制器发送控制命令控制支架动作，配合行进中的采煤机完成自动化采煤作业。提出了时间阈值与参数阈值相结合闭环控制方法，通过实验证实了该方法的可靠性和准确性，为实现自动化工作面液压支架端头控制器远程控制奠定了控制方法。
　　为了满足煤矿井下恶劣生产环境对电气设备的特殊要求，确保集中控制系统可以稳定通讯和实时控制，设计了以单片机C8051F020为核心控制单元的系统硬件电路。端头控制器硬件系统包括:以BA033T和BA05T电平转化芯片为核心的电源电路、以液晶显示模块(MS12864R)和本质安全型键盘(TY-40)为核心的人机交互单元电路、以MAX3088芯片为核心的RS485通讯电路、以32k外部存储器为主的外部RAM扩展电路等。现场测试结果表明，该硬件系统运行稳定，可以为端头控制器实现远程在线监测和集中控制提供可靠保障和有力支撑。
　　采用模块化程序设计方法，编写了系统应用程序和功能模块程序。主要包括集中控制通讯程序和人机交互单元控制程序。集中控制通讯程序包括串行异步通讯程序、远程手动控制程序、集中控制巡检参数程序、集中控制追击拉架程序和集中控制推镏程序;人机交互单元控制程序包括:键盘与显示程序、参数显示与修改程序、故障报警程序、寻址功能程序、急停功能程序、错误状态显示程序。调试结果表明，程序可移植性高，逻辑结构合理，功能完善，为系统稳定、可靠运行提供了保障。
　　在实验室对所开发的系统进行了硬件测试和软件调试，并将产品送到重庆煤科院进行了性能检测试验，检验结果表明系统各项指标均满足煤矿安全生产标准，达到了预期设计要求。系统在晋煤集团金鼎液压支架车间进行了现场调试。调试结果表明:端头控制器与上位机和架间控制器通讯稳定，能够准确地根据采煤机位置进行集中控制，液压支架动作准确，并在控制过程中能及时进行故障预警和诊断，并将诊断并结果上传给防爆计算机，实时性好，达到了综采工作面液压支架电液系统自动化控制的预定指标。该系统于2013年10月在晋煤集团古书院矿152304工作面的进行了为期4个月的工业试验，试验结果表明系统通讯稳定，性能可靠，能满足生产的实际要求，为建立自动化工作面奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 液压支架电液控制技术的发展历史现状

1．2．1 国外的发展现状

1．2．2 国内的发展现状

1．3 本文的研究目标及主要内容

第二章 端头控制器双总线集中控制策略

2．1 液压支架集中控制系统总体结构

2．2 液压支架集中控制系统的控制方法

2．2．1 系统现场总线通讯方式确定

2．2．2 液压支架集中控制系统控制方法

2．3 端头控制器总线巡检功能设计

2．3．1 自动化工作面对总线巡检的要求

2．3．2 液压支架状态参数信息采集方法

2．3．3 液压支架系统参数的设定

2．3．4 液压支架系统参数的显示与修改方法

2．4 端头控制器总线集中控制功能设计

2．4．1 综采工作面采煤工艺区段集中控制要求

2．4．2 采煤机运行方向判断方法

2．4．3 中间区段集中控制的实现过程

2．4．4 弯曲段集中控制的实现过程

2．4．5 机尾段集中控制的实现过程

2．5 本章小结

第三章 液压支架电液控制系统端头控制器的硬件设计

3．1 硬件总体方案设计

3．2 控制器电源电路设计

3．2．1 电源电路设计要求

3．2．2 控制器电源电路组成结构

3．2．3 控制器电源电路设计

3．3 集中控制功能模块电路设计

3．3．1 硬件资源需求分析

3．3．2 CPU选型

3．3．3 RS485通讯电路

3．3．4 人机交互单元电路

3．3．5 外部RAM的扩展电路

3．3．6 复位电路

3．4 本章小结

第四章 端头控制器集中控制系统软件设计

4．1 开发环境和编程语言

4．1．1 程序开发环境

4．1．2 软件编写语言

4．2 控制系统软件总体设计

4．3 软件资源配置

4．3．1 系统堆栈设置

4．3．2 系统定时器设置

4．3．3 系统中断设置

4．4 集中控制通讯系统程序设计

4．4．1 串行异步通讯程序

4．4．2 远程控制与就地控制状态切换子程序

4．4．3 远程手动控制程序

4．4．4 集中控制巡检参数程序

4．4．5 集中控制判断采煤机运行方向程序

4．4．6 集中控制追击拉架程序

4．4．7 集中控制推镏程序

4．5 人机交互单元程序设计

4．5．1 键盘与显示子程序

4．5．2 参数显示与修改子程序

4．5．3 故障报警子程序

4．5．4 寻址功能子程序

4．5．5 急停功能子程序

4．5．6 错误状态显示子程序

4．6 本章小结

第五章 形式试验与应用

5．1 实验室调试

5．1．1 调试平台

5．1．2 对端头控制器硬件调试

5．1．3 键盘显示程序调试

5．1．4 串口通讯系统程序调试

5．1．5 远程手动控制程序调试

5．1．6 集中控制追击拉架程序调试

5．1．7 参数显示与修改功能调试

5．1．8 故障报警程序调试

5．1．9 寻址功能调试

5．1．10 急停功能调试

5．1．11 远程控制与就地控制状态切换调试

5．1．12 错误状态显示功能调试

5．1．13 响应上位机参数修改功能调试

5．1．14 响应上位机控制命令功能调试

5．2 重庆煤科院性能检测试验

5．2．1 基本功能及装置组成检查试验

5．2．2 工作稳定性试验

5．2．3 防爆试验

5．3 地面调试

5．3．1 驱动能力调试

5．3．2 远程手动控制功能调试

5．3．3 集中控制追击拉架功能调试

5．3．4 远程控制与就地控制切换功能调试

5．3．5 响应上位机参数巡检功能调试

5．4 井下调试

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果