陳 昆 許春雨 田慕琴 宋建成 馬旭東 宋單陽 張潤冬

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

液壓支架是綜采工作面不可或缺的支護設(shè)備，主要用于綜采工作面頂板支護，為操作人員提供作業(yè)空間。當(dāng)前，我國煤礦生產(chǎn)主要依賴操作人員使用電液控制系統(tǒng)對鄰近液壓支架進行手動控制，盡管采用鄰架操作一定程度上保證了操作人員的人身安全，降低了勞動強度，但由于存在井下支架數(shù)量多、煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作視線受干擾、操作空間受限等問題，需要一種無線裝置對液壓支架進行近距離無線遙控。

無線電頻段和紅外頻段是適用于高速、短程無線通訊的主要頻段。無線電波長長、發(fā)射能量分散，無法滿足煤礦井下復(fù)雜電磁環(huán)境下通訊可靠性要求；紅外頻段具有波長短、發(fā)射能量集中、抗干擾能力強、有一定的方向性等特點，是實現(xiàn)液壓支架精準(zhǔn)、可靠、穩(wěn)定遙控的有效手段。本文提出了基于紅外線載波調(diào)制和RS485總線的液壓支架電液遙控策略，闡述了遙控裝置的控制過程，實現(xiàn)了對綜采工作面多支架、多功能的近距離無線遙控，具有一定的應(yīng)用價值。

1 遙控方案

1.1 遙控裝置功能

針對煤礦綜采工作面液壓支架數(shù)量多、控制流程復(fù)雜、作業(yè)周期長等特點，液壓支架遙控裝置應(yīng)具備以下功能：

(1)鄰架遙控功能。遙控發(fā)射器需對全工作面各支架的立柱、伸縮梁、平衡梁、一二級護幫、側(cè)護板的伸收以及推鎦、拉架、提底、噴霧等動作進行遙控?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，液壓支架電液控設(shè)備不允許對本架進行操作，因此遙控發(fā)射器只能對左右鄰近多臺支架進行遙控。

(2)成組遙控功能。支架成組動作通常包括成組推鎦及拉架動作。以成組推鎦為例，遙控發(fā)射器需按工藝要求設(shè)定成組推鎦架數(shù)，成組遙控命令發(fā)送后，采煤機后滾筒后10～15架處開始成組沿割煤方向執(zhí)行多架成組推餾功能。

(3)小循環(huán)操作功能。遙控發(fā)射器應(yīng)具備液壓支架多動作一鍵控制功能。一個完整的小循環(huán)功能主要包括降柱、提底、拉架和升柱，按照降柱-提底-拉架-升柱的順序依次執(zhí)行。

1.2 遙控操作策略

為了適應(yīng)煤炭生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)性以及綜采設(shè)備操作便捷性的需要，遙控發(fā)射器需在遙控策略上滿足快速性、可操作性及靈活性的設(shè)計要求，其外部結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 遙控發(fā)射器外部結(jié)構(gòu)圖

遙控發(fā)射器采用本安型便攜式設(shè)計，由支架工手持操作。當(dāng)鄰架遙控時，使用當(dāng)前架號兩端預(yù)選按鍵確定當(dāng)前支架號，使用目標(biāo)架號兩端預(yù)選按鍵確定目標(biāo)支架號，通過功能鍵輸入動作類型，即可對待控支架各動作進行遙控操作。當(dāng)成組遙控時，選定待控支架后，先選擇成組命令鍵，再按下工藝流程對應(yīng)的成組動作即可。由于井下支架動作的特殊性，成組參數(shù)需在生產(chǎn)技術(shù)部門統(tǒng)一商定后，在支架控制器內(nèi)部進行設(shè)置。小循環(huán)操作與成組遙控過程類似，采用左成組與右成組兩按鍵同時按下表示小循環(huán)命令。

1.3 遙控裝置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的液壓支架遙控裝置由遙控發(fā)射器和接收電路組成，遙控裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 遙控裝置結(jié)構(gòu)框圖

遙控發(fā)射器主要包括電源管理模塊、操作鍵盤、主控CPU、功能顯示及紅外發(fā)射模塊。其中，電源管理模塊集成了充電管理、電量監(jiān)測、節(jié)電優(yōu)化功能，保證了便攜式裝置在井下長時間生產(chǎn)作業(yè)的續(xù)航要求。主控CPU將操作人員通過鍵盤輸入的控制信息進行編碼處理后，由紅外發(fā)射模塊向外發(fā)出。功能顯示區(qū)可顯示當(dāng)前支架號、目標(biāo)支架號、動作命令及電量信息，方便生產(chǎn)人員進行操作。

接收電路集成在各支架控制器的內(nèi)部，由紅外接收模塊、主控CPU及左右兩路485通訊電路組成。紅外接收模塊接收到遙控器發(fā)出的遙控命令進行載波信號的轉(zhuǎn)碼，將紅外線信號轉(zhuǎn)換為可供單片機讀取的數(shù)字信號。單片機對數(shù)字信號進行二次轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)換為符合支架控制器內(nèi)部通訊協(xié)議的控制信號，通過左右485通訊電路傳輸?shù)侥繕?biāo)支架控制器，完成對目標(biāo)支架的遙控。

2 遙控裝置硬件設(shè)計

2.1 遙控發(fā)射器硬件設(shè)計

在對液壓支架近距離遙控操作過程中，遙控發(fā)射器主要完成當(dāng)前架號確認、目標(biāo)架號選擇、動作命令發(fā)送等一系列功能，遙控器硬件電路需要滿足通信穩(wěn)定性、操作便捷性及續(xù)航可靠性等要求。

遙控發(fā)射器硬件電路由CPU、JTAG調(diào)試接口、外部晶振、充電管理、礦用鋰電池組、電源穩(wěn)壓電路、鋰電池充電指示電路、紅外信號編碼及其發(fā)送電路、矩陣式鍵盤及LCD顯示電路組成。遙控發(fā)射器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遙控發(fā)射器硬件結(jié)構(gòu)

遙控發(fā)射器內(nèi)部以C8051F020單片機為處理核心。C8051F020作為一款8位定點運算單片機，時鐘頻率可達25 MHz，不僅運算速度快、運行功耗低、硬件資源豐富，還具備靈活的外設(shè)配置功能，允許通過設(shè)置交叉開關(guān)對外部設(shè)備接口進行功能配置。

電源管理模塊選用目前較為成熟的礦用可充電鋰電池組作為設(shè)備電源。充電管理模塊內(nèi)部采用CN3052A型充電管理芯片對設(shè)備進行恒流/恒壓模式下的高效、安全充電。該芯片內(nèi)部集成了功率晶體管，電路結(jié)構(gòu)簡單、高效可靠。

充電指示器電路使用LM339四路差動比較器設(shè)計，可以在設(shè)備充電狀態(tài)下，通過四路LED指示燈顯示充電完成情況。電量監(jiān)測環(huán)節(jié)利用了鋰電池端電壓隨電量值變化關(guān)系，通過將電池兩端電壓送入單片機片內(nèi)AD采樣計算，將設(shè)備剩余電量值在遙控器顯示面板實時顯示。

紅外信號編碼電路選用PT2262芯片進行信號編碼。PT2262是目前無線通訊領(lǐng)域最常用的芯片之一，最多有12位(A0～A11)地址碼管腳、6位(D0～D5)數(shù)據(jù)碼管腳。經(jīng)過硬件內(nèi)部編碼，設(shè)定的地址位和數(shù)據(jù)位可從Dout端以38 kHz載波形式，經(jīng)由兩級功率放大電路通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。

2.2 接收電路硬件設(shè)計

本文設(shè)計的液壓支架遙控裝置將接收電路集成在支架控制器內(nèi)部，與整套電液控系統(tǒng)結(jié)合為一體，協(xié)同運行。傳統(tǒng)的液壓支架電液控系統(tǒng)通常設(shè)置有基于紅外信號識別的采煤機位置檢測電路。為了與現(xiàn)有系統(tǒng)充分融合，避免兩種紅外信號下的解碼干擾，對紅外接收電路進行了設(shè)計優(yōu)化。系統(tǒng)整體配置結(jié)構(gòu)如圖4所示，接收電路硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)整體配置結(jié)構(gòu)

圖5 接收電路硬件結(jié)構(gòu)

液壓支架遙控裝置接收電路主要分為紅外信號通訊和RS485信號通訊兩路通訊結(jié)構(gòu)。其中紅外信號通訊包括一體化紅外接收頭、遙控信號解碼電路和采煤機位置信號解碼電路，RS485通訊主要包括左鄰架和右鄰架兩路通訊電路。

一體化紅外接收頭選用HS0038模塊，其集紅外線接收、前置放大和解調(diào)電路于一體，中心頻率為38 kHz，可改善自然光的反射干擾，輸出脈沖穩(wěn)定，可準(zhǔn)確還原遙控器發(fā)出的載波信號。

遙控信號及采煤機位置信號接收解碼電路使用PT2272-M5遙控解碼器，該芯片外部包含7位地址引腳及5位數(shù)據(jù)引腳?？紤]到綜采工作面液壓支架數(shù)量多，有時甚至多達200余臺，因此在信號傳輸過程中，設(shè)計了地址碼復(fù)用及功能碼分時發(fā)送的編碼方式。

RS485通訊主要由2路RS485通信總線構(gòu)成，分別包括光電隔離、MAX485及防高壓侵入保護電路。MAX485芯片用于將通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)镽S485通信協(xié)議信號，光電隔離和防高壓侵入保護電路則保證了通信過程的安全穩(wěn)定。

3 紅外遙控編碼設(shè)計

3.1 紅外編碼結(jié)構(gòu)

井下工作面電磁環(huán)境復(fù)雜，且液壓支架數(shù)量較多，各支架緊密連接，遙控發(fā)射器任一時刻發(fā)出的遙控命令都會被多臺支架同時接收。為了提高無線通訊的準(zhǔn)確性及抗干擾能力，需要設(shè)計可靠的無線通訊協(xié)議以確保無線信號的可靠傳輸。

PT2262紅外編碼芯片采用2個周期占空比為1∶3的波形來表示數(shù)字量“0”以及2個周期占空比為2∶3的波形來表示數(shù)字量“1”，發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字。液壓支架遙控器數(shù)據(jù)幀格式見表1。

將當(dāng)前支架架號作為地址碼，可以從硬件上防止不同支架同時接收到遙控信號而造成通訊干擾，引起誤動作。

表1 遙控器數(shù)據(jù)幀格式

3.2 紅外解碼方式

對PT2262常用的解碼方法有硬件解碼和軟件解碼。硬件解碼是采用專用的PT2272解碼芯片，當(dāng)發(fā)射器與接收電路設(shè)定相同的地址碼時，在有效的通信距離內(nèi)，接收電路可正確解碼載波信號。硬件解碼速度快、使用方便，應(yīng)用方案較為成熟。軟件解碼是通過對紅外接收頭輸出波形的分析，由CPU來進行解碼。軟件解碼配置靈活，不受發(fā)射端地址碼配置的影響，但解碼速度較慢，完成單功能的解碼需100 ms左右的時間，無法滿足井下液壓支架控制的快速性要求。

本文設(shè)計了基于PT2272專用解碼芯片的硬件解碼電路。由于PT2262每次至少發(fā)射四組字碼，第一組字碼容易受零電平干擾，從而產(chǎn)生誤碼，因此PT2272只有在連續(xù)兩次檢測到與自己相同的地址碼時，才會判斷為遙控信號接收正常。

3.3 二進制編碼壓縮

隨著綜采自動化技術(shù)的廣泛推進，單個綜采工作面液壓支架布置規(guī)模甚至已經(jīng)多達200余臺，對其進行立柱、伸縮梁、平衡梁、一二級護幫、側(cè)護板的伸收，及推鎦、拉架、提底、噴霧等各功能日趨完善，一臺液壓支架遙控器需要實現(xiàn)對整個工作面液壓支架各功能的準(zhǔn)確遙控。以200臺液壓支架、16個單動作、8個成組動作及1組工藝設(shè)定小循環(huán)動作為例，就需要至少8位地址碼、13位功能碼來實現(xiàn)遙控功能。這必然會導(dǎo)致紅外通訊編碼冗長，不利于遙控命令的編碼和傳輸。因此，本設(shè)計需要對紅外編碼信號進行壓縮和優(yōu)化處理。

3.3.1 地址碼復(fù)用

以隔架單動作遙控為例，在30號支架位置，操作人員需要對右側(cè)32號支架進行“推鎦”操作：當(dāng)前架號為30，其二進制對應(yīng)為：m1=00011110；目標(biāo)架號為32，其二進制對應(yīng)為：n1=00100000。假設(shè)“推鎦”動作設(shè)定為第“5號”動作，其動作編碼二進制對應(yīng)為：p1=00101。因此，該動作遙控指令對應(yīng)的紅外編碼應(yīng)為：D1=000111100010000000101。

考慮到井下液壓支架數(shù)量及紅外線傳播距離等因素，本裝置采用了地址碼復(fù)用的編碼設(shè)計。設(shè)當(dāng)前支架號為M，當(dāng)前支架號對應(yīng)二進制碼為m1，見式(1)：

(1)

式(1)中DEC2BIN函數(shù)表示為十進制數(shù)對應(yīng)的二進制碼值，通過地址碼復(fù)用的方法，將整個工作面每128臺支架作為一組，從而實現(xiàn)分組控制。

3.3.2 限制可控區(qū)間

由于液壓支架電液控制系統(tǒng)不允許本架控制本架，必須在控制支架的相鄰架或者是相隔架進行操作。同時受制于井下操作視野范圍，本裝置按照就地手動控制模式技術(shù)要求，將可控區(qū)間限制為左右各4架，采用方向標(biāo)志位與控制距離來確定目標(biāo)架號，則目標(biāo)架號編碼二進制見式(2)：

(2)

以上操作示例中，目標(biāo)架號對應(yīng)二進制數(shù)為：n1=101。

3.3.3 功能碼分時復(fù)用

為了進一步壓縮編碼結(jié)構(gòu)，提高紅外通訊穩(wěn)定性，本裝置設(shè)計了功能碼分時復(fù)用模式。通過液壓支架遙控發(fā)射器主控CPU內(nèi)部控制單元，將每段功能碼分為兩組數(shù)據(jù)分時發(fā)送，并用標(biāo)志位加以區(qū)分。接收電路通過判別標(biāo)志位狀態(tài)，將兩組數(shù)據(jù)同時接收并處理，從而還原出發(fā)射器端發(fā)出的控制命令。結(jié)合目標(biāo)架號的編碼規(guī)則，動作編碼二進制見式(3)：

(3)

以上操作示例中，動作編碼二進制見式(4)：

(4)

該動作遙控指令對應(yīng)的紅外編碼見式(5)：

(5)

本文所設(shè)計的編碼結(jié)構(gòu)，將當(dāng)前液壓支架架號作為地址碼，地址碼范圍設(shè)定為0000001～1111101(排除了0000000和1111111兩組易產(chǎn)生誤碼的地址碼)，超過125架則進行地址碼復(fù)用。采煤機位置檢測電路紅外地址碼設(shè)定為1111110，與采煤機紅外發(fā)射器相匹配，用以實時采集采煤機位置信號。

功能碼復(fù)用設(shè)計會在任意功能按鍵按下之后連續(xù)發(fā)送兩組功能信息，經(jīng)過紅外接收電路解碼后，單片機掃描功能引腳將數(shù)據(jù)存入工作區(qū)，并生成最終功能控制碼。以右鄰架控制為例，按鍵功能對應(yīng)編碼見表2。

表2 按鍵功能對應(yīng)編碼

單動作遙控時，功能碼包含鄰架方向信息、預(yù)選架號信息及動作信息。成組動作遙控時，功能碼包含成組方向信息及成組動作信息。

4 遙控裝置軟件設(shè)計

4.1 遙控發(fā)射器軟件設(shè)計

為了最大限度地降低系統(tǒng)功耗，遙控發(fā)射器在處于休眠狀態(tài)時，系統(tǒng)將關(guān)閉液晶顯示背光。按鍵采用中斷觸發(fā)方式，上電啟動后立即進入休眠模式，當(dāng)有按鍵按下時，觸發(fā)外部中斷喚醒CPU。另外，本系統(tǒng)在軟件和硬件上設(shè)計按鍵防抖功能，確保按鍵指令的正確輸入。

遙控發(fā)射器主程序的主要功能是完成對8051F020及外圍電路的初始化和開中斷，并進入等待模式。一旦產(chǎn)生中斷，喚醒CPU進入工作模式，調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理子程序進行命令碼的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外編碼芯片。遙控發(fā)射器主程序流程如圖6所示。

4.2 紅外接收子程序設(shè)計

紅外編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字。解碼芯片PT2272-M5接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。

通過對遙控信號標(biāo)志位的提取，判斷某一時刻有無遙控命令發(fā)射。一旦判為有效，可將命令碼存儲到指定工作區(qū)進行處理。處理后的命令碼應(yīng)與支架控制器按鍵數(shù)據(jù)格式相匹配，跳轉(zhuǎn)到按鍵處理子程序中，并將紅外遙控信號與RS485通訊格式進行匹配。紅外接收子程序流程如圖7所示。

圖6 遙控發(fā)射器主程序流程

圖7 紅外接收子程序流程

5 試驗驗證

為了驗證上述示例中控制模式，在實驗室搭建煤礦無人值守綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)試驗平臺對所設(shè)計的紅外遙控裝置進行了試驗，試驗現(xiàn)場如圖8所示，當(dāng)前架號及目標(biāo)架號動作執(zhí)行情況如圖9所示。

圖8 試驗現(xiàn)場

圖9 當(dāng)前架號及目標(biāo)架號動作執(zhí)行情況

試驗過程中，使用硬件測試板內(nèi)部主控單元驅(qū)動紅外發(fā)射單元作為遙控發(fā)射器，通過裝置內(nèi)部單片機編譯程序參數(shù)，使之連續(xù)輸出特定紅外編碼信號以模擬遙控器動作命令。將發(fā)射裝置放在帶有紅外線接收頭的第30號支架控制器水平間距1m處，此時該控制器成功接收到紅外信號并伴隨指示燈閃爍，控制器進入遙控信號接收模式。同時，第32號支架控制器快速進入遙控命令執(zhí)行模式，并準(zhǔn)確輸出動作命令。

6 結(jié)語

本文基于綜采工作面生產(chǎn)要求，提出了一種基于紅外載波調(diào)制和RS485總線的液壓支架近距離遙控策略，開發(fā)了遙控發(fā)射和接收裝置，并采用硬件編解碼、編碼壓縮算法提高了通訊過程的實時性、可靠性和穩(wěn)定性。通過手持式遙控裝置實現(xiàn)了對全工作面的鄰架遙控、成組遙控及小循環(huán)操作功能。試驗結(jié)果表明，目標(biāo)支架能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地接收到遙控器發(fā)出的紅外命令并迅速響應(yīng)，實現(xiàn)了對液壓支架的近距離無線遙控控制。