徐太山，田慕琴，宋建成，許春雨

（1.晉城煤業(yè)集團，晉城048006；2.太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原030024）

煤炭是我國一次能源的主體，國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要明確指出，要大力發(fā)展煤炭清潔、高效、安全開采和利用技術(shù)，并且將開發(fā)高效自動化開采技術(shù)列為重點領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題。煤炭綜合機械化、自動化采煤技術(shù)是實現(xiàn)安全高效開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而液壓支架的電液自動控制系統(tǒng)又是該環(huán)節(jié)的重要組成部分。液壓支架電液控制系統(tǒng)是集傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機及控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓閥控制技術(shù)于一體的綜合控制技術(shù)。自綜采技術(shù)誕生以來，液壓支架控制技術(shù)一直被國外所壟斷，特別是德國的DPT、MARCO、TIEFENBACH、EEP和美國JOY公司的產(chǎn)品，幾乎占據(jù)了整個中國煤炭行業(yè)市場。國外產(chǎn)品技術(shù)的先進性、運行的穩(wěn)定性和動作的可靠性是毋庸置疑的，但價格昂貴、供貨周期長、配件不及時，直接影響到煤炭生產(chǎn)成本。特別是其協(xié)議不公開、技術(shù)保密、更新速度慢、不適應(yīng)我國現(xiàn)代化無人開采技術(shù)發(fā)展等問題，嚴重制約著我國煤炭工業(yè)的技術(shù)進步，更成為制約我國煤炭高效集約化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。近幾年來，國內(nèi)在電液控制技術(shù)開發(fā)方面群雄并起，但是缺乏對關(guān)鍵技術(shù)的突破和掌握，目前還沒有實用性的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品在市場上占有一席之地。2001年3月，中國天地集團與德國MARCO公司合資成立了北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，但由于國外技術(shù)的保密和壟斷，在關(guān)鍵技術(shù)方面還沒有取得實質(zhì)性突破和進展，有很多環(huán)節(jié)還是不得不依靠進口，國產(chǎn)化的進程仍未完成。在煤礦無人或少人值守工作面，液壓支架電液控制系統(tǒng)方面的研究更是鮮有報道。在我國，每年的煤炭總產(chǎn)量中，大中型礦井占到70%左右，大約需要數(shù)以萬計的液壓支架電液系統(tǒng)，目前僅靠進口也遠遠不能滿足市場需求［1，3］。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)，不僅具有重大的現(xiàn)實意義，更具有深遠的戰(zhàn)略意義。

1 系統(tǒng)介紹

煤礦無人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括：地面主機和集控室主機對工作面液壓支架的遠程控制，地面主機對井下液壓支架運行狀態(tài)進行智能化分析和預(yù)警策略；端頭控制器對液壓支架的自動追機拉架控制；液壓支架電液控制系統(tǒng)的多層通訊體系，實現(xiàn)電液控制系統(tǒng)中地面主機與集控室主機、集控室主機與端頭控制器、端頭控制器與間架控制器的三級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制。

本系統(tǒng)是煤礦無人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)，是實現(xiàn)無人值守的主控部分，屬遠程遙控部分。其目的是提供一種煤礦井下工作面液壓支架電液遠程控制方法，以解決煤礦井下無人值守工作面液壓支架的電液遠程控制問題，實現(xiàn)煤礦井下工作面無人值守控制液壓支架的目的。

煤礦無人值守工作面液壓支架電液遠程控制系統(tǒng)可對井下液壓支架的運行方式等參數(shù)進行遠程設(shè)定，同時實時記錄和顯示液壓支架的運行狀態(tài)，保存歷史數(shù)據(jù)，集數(shù)據(jù)記錄、查詢、分析為一體［2］，具有RS485和CANBUS通訊接口功能；通過PROFIBUS、MODBUS、CANBUS等協(xié)議與井下進行實時通訊，以實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)無人值守自動化操作，使煤炭生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人化，真正做到安全生產(chǎn)。能將各運行參數(shù)進行長期記錄，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為事故分析提供第一手資料［4］。

2 液壓支架電液自動控制實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

液壓支架電液自動控制系統(tǒng)包括間架控制器、端頭控制器、計算機（順槽工控機、地面計算機）以及相關(guān)的通訊體系，參見圖1。間架控制器完成支架各種動作的控制，它可接收來自鍵盤的手動控制，還可接收來自端頭控制器的集中自動控制。間架控制器包含2片CPU，一個為主控系統(tǒng)服務(wù)，另一個負責鍵盤掃描、液晶屏顯示和左右鄰架通信。2片CPU之間利用SPI通信口通訊，間架控制器之間利用RS485通信傳送架間控制信息。端頭控制器是實現(xiàn)無人值守自動控制的中心環(huán)節(jié)，起著承上啟下的關(guān)鍵作用。它可根據(jù)采煤機位置控制相應(yīng)液壓支架的動作，實現(xiàn)自動追機拉架；還可接收來自順槽工控機和地面計算機的遠程指令，控制液壓支架的動作。順槽工控機與端頭控制器、端頭控制器與間架控制器之間利用MODBUS協(xié)議進行通訊，地面計算機需要通過工業(yè)以太網(wǎng)與井下通訊［5］。

2.1 工作面液壓支架遠程參數(shù)設(shè)定、遠程控制的設(shè)計

本系統(tǒng)能實現(xiàn)煤礦無人值守工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的地面遠程遙控功能，是實現(xiàn)無人值守的主控部分，可遠程發(fā)送液壓支架控制參數(shù)、控制命令和操作命令。傳送的數(shù)據(jù)由圖1的工控機的串口傳到端頭控制器，也是由它的串口接收，再由它將數(shù)據(jù)整理后由串口以主從模式傳遞給各個支架控制器的串口。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓支架控制參數(shù)和操作命令遠程傳輸分控制參數(shù)傳送部分和操作命令傳送部分。要發(fā)送控制參數(shù)，首先將控制參數(shù)鍵入到單行編輯器后，用鼠標點擊左半平面的“發(fā)送”。要發(fā)送操作命令，首先要指明動作的支架，然后點擊界面上的虛擬鍵盤，選擇要支架完成的功能，用鼠標點擊右半平面的“發(fā)送”。接到發(fā)送的命令，本系統(tǒng)首先要對讀入的以字符型表示的控制參數(shù)或操作命令變成整型數(shù)。由于在通訊中要進行crc校驗，但PowerBuilder沒有異或功能，所以要將整型數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制碼，利用字符變量實現(xiàn)異或功能，完成crc校驗碼的編制。第二，將地址、命令、讀取寄存器地址、讀取寄存器個數(shù)、校驗碼等以十六進制的形式送出去。由于PowerBuilder沒有十六進制數(shù)的表示方法，本系統(tǒng)通過十進制與字符型的變換將數(shù)值先表示成二進制的形式，然后再通過大二進制文本變量（blob）將要發(fā)送的數(shù)寫到串口。用blob型的變量將數(shù)據(jù)組合：b-mode＝bmode＋blob（CHAR（nn［i］）），當發(fā)送的數(shù)據(jù)為零時：b-mode＝b-mode＋b-00，這樣執(zhí)行：ole-1.Object.Output＝b-mode將數(shù)據(jù)成功送到串口發(fā)出去。第三，端頭控制器接到命令后，一方面將指令下到對應(yīng)的支架中，使支架完成要求的功能；另一方面返回應(yīng)答信息，通知工控機已接收到命令。第四，從串口讀數(shù)據(jù)dd時，本系統(tǒng)經(jīng)過integer（asc（dd））的變換將讀到的數(shù)據(jù)變成適合的算術(shù)形式進行計算。

2.2 工作面液壓支架實時狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)計

在實際采煤中需要的液壓支架數(shù)隨工作面的不同而不同，一般在120～200架之間，所以在采煤工作前此數(shù)據(jù)將作為參數(shù)由工控機或端頭控制器傳送給液壓支架控制器。當然，工作面液壓支架實時狀態(tài)監(jiān)測的主界面表示的支架控制器的小塊數(shù)量也要隨這一參數(shù)而變化。圖2是用PowerBuilder文本對象實現(xiàn)工作面液壓支架實時狀態(tài)監(jiān)測的界面。

在界面上添加RichTextEdit（多文本編輯）控件，它有g(shù)etfocus（得到焦點）和mousemove（鼠標移動）事件。當鼠標指在表示支架的RichTextEdit（多文本編輯）控件上時，鼠標移動事件發(fā)生，顯示出支架的編號；若在此控件上雙擊鼠標，便彈出一個窗口，以表格、圖形及曲線等形式顯示此支架的運行信息。

由于控制的綜采面支架數(shù)較多，支架的信息也較多，且具有幾百個RichTextEdit（多文本編輯）控件，不可能逐一對其進行設(shè)置、編程等，因此用宏代換統(tǒng)一實現(xiàn)，包括隨鼠標顯示支架號，用紅色顯示超限的支架，用閃爍表示處于急停狀態(tài)的支架，等等。

圖2 工作面液壓支架實時狀態(tài)監(jiān)測

隨著鼠標的移動，小方塊顯示出所指到的支架編號，若想了解某一支架的詳細運行狀態(tài)，可用鼠標單擊此編號的小方塊，便可得到此編號小方塊代表的支架的狀態(tài)信息，并用圖形形象地表示一級護幫、二級護幫、急停、噴霧和采煤機位置等狀態(tài)，或以表格和曲線形式實時顯示目前各種物理量，如支架下腔壓力、推移行程和梁端距等模擬量的數(shù)值大小和變化趨勢。

2.3 液壓支架電液控制系統(tǒng)端頭控制器軟件遠程在線升級

升級代碼從上位機傳送到端頭控制器后，被存儲在端頭控制器的外部存儲器，之后將在升級引導程序的引導下，將升級代碼從外部存儲器寫入到端頭控制器CPU的FLASH空間。上位機首先發(fā)送升級命令，以查詢端頭控制器有沒有做好升級準備，如果沒有再重新發(fā)送，直至端頭控制器準備好。當端頭控制器返回已經(jīng)準備好升級命令后，上位機開始把升級代碼分段傳給端頭控制器，直至傳送完畢。當代碼傳送完畢后，發(fā)送給端頭控制器版本查詢命令，等待端頭控制器發(fā)送來的版本號對比結(jié)果。如果選擇不升級則發(fā)送取消升級命令，完成后結(jié)束。當選擇確認升級后，上位機發(fā)送確認升級命令，并等待端頭控制器返回指令；當返回指令錯誤時，上位機再次發(fā)送確認升級命令，直到發(fā)送成功。此過程中的通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，傳送速率選用9 600bit／s，可保證傳送數(shù)據(jù)的正確、可靠。端頭控制器接收到上位機發(fā)送來的判斷能否接收升級代碼的命令后，對自身工作狀態(tài)進行檢查，如果控制器處于忙碌狀態(tài)，將回復給上位機端頭控制器處于忙碌狀態(tài)；如果處于空閑狀態(tài)，將回復上位機可以接收升級代碼；并等待上位機發(fā)來的升級代碼；接收升級代碼后，同時將升級代碼存入自身的外部RAM中，直到接收完畢。端頭控制器將跳到升級引導程序開始進行程序升級。間架控制器軟件遠程在線升級方法與此雷同，只是要通過端頭控制器傳輸軟件代碼。

3 功能特點

本系統(tǒng)中采用PowerBuilder作為前端開發(fā)平臺，實現(xiàn)煤礦無人值守工作面液壓支架電液遠程控制，它可與任何數(shù)據(jù)庫連接，適用性很強。由于其具有功能強大的Data Window（數(shù)據(jù)窗口），再加入靈活的SQL語句，為數(shù)據(jù)處理提供了極大的靈活性。PowerBuilder獨有的數(shù)據(jù)庫管理特點及與其他外部事物的友好接口功能，能廣泛應(yīng)用其他各方面的資源，如三方控件等等。本系統(tǒng)中就利用了串口通訊、OLE和OLE Database Blob等外部事物功能。以下是在使用PowerBuilder開發(fā)過程中一些關(guān)鍵問題的處理方法［6］。

3.1 宏代換

由于表示的支架數(shù)多，支架的信息也多，小長方塊的數(shù)量達600個或更多，其運行的腳本程序不可能一一編制，所需的設(shè)置也不可能逐一進行，因此用宏代換實現(xiàn)。PowerBuilder沒有實現(xiàn)宏代換的語句，所以通過依次識別RichTextEdit（多文本編輯）控件并結(jié)合窗口函數(shù)成功地實現(xiàn)了宏代換的功能，完成了液壓支架的各種功能。宏代換實現(xiàn)方法如下：

ss＝integer（（w＿jcjc.Width）／（zjs1＋2））

s1＝rte＿1.x

s2＝rte＿201.x

s3＝rte＿401.x

integer li＿count，sss1

integer li＿i，sr1，sr2

li＿count＝upperbound（parent.control［］）

richtextedit sr，srr，srr1，srr2，srr3

FOR li＿i＝ 1TO li＿count

CHOOSE CASE parent.control［li＿i］.typeof（）／／parent代表窗體

case richtextedit?。绻摽丶莚ichtextedit文本

sr＝parent.control［li＿i］／／得到該控件的引用

sss1＝8

sr.width＝ss－sss1

sr1＝len（parent.control［li＿i］.classname（））

sr1＝sr1－4

sr2＝integer（mid（parent.control［li＿i］.classname（），5，sr1））

if sr2＜＝200then

sr.tag＝string（sr2）

if sr2＞（zjs1＋1）then

sr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－1）

else

if sr2＞200and sr2＜＝400then

sr.tag＝string（sr2－200）

if sr2＞（zjs1＋201）then

sr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－200－1）

else

if sr2＞400and sr2＜＝600then

sr.tag＝string（sr2－400）

if sr2＞（zjs1＋401）thensr.visible＝false

end if

sr.x＝s1＋ss＊（sr2－400－1）

end if

end if

end if

end CHOOSE

next

3.2 串口通訊

要完成MODBUS、PROFIBUS和CANBUS等協(xié)議的串口通訊，就要解決如何將十六進制數(shù)寫到串口。前面提到由于PowerBuilder沒有十六進制數(shù)的表示方法，利用了大二進制文本變量來發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，實現(xiàn)了用PowerBuilder完成MODBUS、PROFIBUS和其他等協(xié)議進行串口通訊功能，而且通訊速度令人滿意。

3.3 crc校驗碼

由于PowerBuilder沒有異或功能，利用字符變量實現(xiàn)了異或功能，完成了crc校驗碼的編制。

3.4 實時圖形的存儲和顯示

本系統(tǒng)能將各運行參數(shù)進行長期記錄，包括實時圖形、數(shù)據(jù)等。與一般的數(shù)據(jù)管理不同，其圖形非常多，因此，本系統(tǒng)充分利用PowerBuilder中處理圖形的OLE Database Blob功能，將圖形存入數(shù)據(jù)庫表中的Text字段，非常方便，避免了一般采用圖片占用大量空間的弊端。

本系統(tǒng)能顯示液壓支架的運行狀態(tài)，集數(shù)據(jù)記錄、查詢、分析為一體，能以表格、曲線、直方圖或餅圖等形式直觀地反映整個數(shù)據(jù)的概況，有較高的智能化水平。

3.5 實現(xiàn)的技術(shù)指標

1）對整個工作面液壓支架各種運行參數(shù)的采集周期小于6s；

2）控制液壓支架動作時間小于200ms；

3）對液壓支架的控制精度大于98%；

4）在線升級端頭和支架控制器程序時間小于250ms；

5）支架數(shù)量可維護；

6）誤碼率小于10－8。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)有性能優(yōu)良、功能完善、協(xié)議公開、易于與其他系統(tǒng)接口等特點，目前已投入試運行，并已與礦方達成協(xié)議。此系統(tǒng)連同一起開發(fā)的端頭控制器、間架控制器構(gòu)成的整個液壓支架電液自動控制系統(tǒng)，將被應(yīng)用于即將開采的工作面，這是我國首例自行開發(fā)和研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液壓支架電液自動控制系統(tǒng)，是集控制、監(jiān)測與遠程設(shè)置于一體的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它既可以實時控制和監(jiān)測液壓支架的工作，實現(xiàn)多級控制，又能完成無人值守工作面操作，填補了我國在液壓支架電液自動控制系統(tǒng)的空白，真正實現(xiàn)了液壓支架電液自動控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化目標。

［1］ 韓續(xù)友，煤礦液壓支架電液控制系統(tǒng)及應(yīng)用環(huán)境探析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，（10）：20-22.

［2］ 張國軍.PowerBuilder中的數(shù)據(jù)查詢方法綜述［J］.鄂州大學學報，2012，（02）：102-105.

［3］ 劉溫暖.液壓支架電液控制系統(tǒng)，煤炭技術(shù)，2009.

［4］ 范立男.SQL Server 2000實用教程［M］.清華大學出版社，2004.

［5］ 張愛絨.基于 Modbus協(xié)議的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成研究與設(shè)計［J］.太原理工大學學報，2011，42（6）：617-621.

［6］ 宋雷.PowerBuilder10實例編程百例［M］.清華大學出版社，2005.

［7］ 孫繼平.煤礦井下變頻器電磁輻射騷擾的研究 ［J］.太原理工大學學報，2011，42（5）：528-530.