一種液壓支架電液控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，屬于液壓支架自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本系統(tǒng)是在基層信息子網(wǎng)中采用了ASI總線進(jìn)行組網(wǎng)，基層信息子網(wǎng)間采用CAN總線通信，不同組的信息子網(wǎng)可以通過隔離耦合器進(jìn)行通信，構(gòu)成系統(tǒng)控制層網(wǎng)絡(luò)，控制層通過井下的網(wǎng)絡(luò)端口和巷道主機相連，井下工作面巷道主機通過網(wǎng)絡(luò)變換器對工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機報送到地面主機；基于本系統(tǒng)的實現(xiàn)方式是基層網(wǎng)絡(luò)采用一個控制器控制若干臺液壓支架，以減少控制層CAN總線的通訊節(jié)點。本發(fā)明有效解決了目前支架電液控制系統(tǒng)中CAN總線節(jié)點過多，供電設(shè)計復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備通訊線路接線過于復(fù)雜的技術(shù)問題。
【專利說明】一種液壓支架電液控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，具體是涉及一種基于ASI總線的新型全工作面礦用液壓支架集中控制系統(tǒng)，屬于液壓支架自動控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]早在20世紀(jì)50年代，英國就已經(jīng)開始研究液壓支架的遙控技術(shù)，50多年來，世界各主要產(chǎn)煤國都在積極開展液壓支架電液控制系統(tǒng)的研究。我國自20世紀(jì)80年代中期開始研制液壓支架電液控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)常用的液壓支架電液控制系統(tǒng)均采用一臺液壓支架一個控制器，并且控制器間采用CAN總線進(jìn)行通信，而控制器與傳感器和執(zhí)行器之間的通信則采用傳統(tǒng)的RS485規(guī)范，建立星型主從式集中控制局域網(wǎng)，這種RS485為第一層(基層)，CAN為第二層(控制層)的兩層結(jié)構(gòu)(也有的產(chǎn)品有順槽控制器，通過支架控制器的網(wǎng)絡(luò)端口與控制層的CAN總線網(wǎng)絡(luò)相連接，構(gòu)成第三層工控機或服務(wù)器，即構(gòu)成第三層管理層；還有的產(chǎn)品會配置地面服務(wù)器對傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)庫進(jìn)行集中管理，構(gòu)成第四層服務(wù)層)存在以下幾點嚴(yán)重的缺陷及不足:
[0003](I)實際煤礦井下工作面液壓支架的數(shù)量可以多達(dá)120臺以上，而CAN總線的節(jié)點數(shù)量上限為110個，一架液壓支架一個控制器使得控制層的通訊節(jié)點數(shù)目會接近甚至超過CAN總線節(jié)點數(shù)目的最大極限。所以一架液壓支架一個控制器的結(jié)構(gòu)造成控制層的通訊節(jié)點過多，使得控制層的通訊復(fù)雜程度過高，繼而使得控制層網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性大大受損。
[0004](2)整個控制系統(tǒng)設(shè)備的通信線路接線過多。由于一架液壓支架一個控制器使得每個控制器都要與相鄰的兩個控制器進(jìn)行全雙工串行通信，兩兩之間至少需要兩根數(shù)據(jù)線，使得整個控制層的接線非常復(fù)雜；此外目前國內(nèi)的電液控制系統(tǒng)的第一層(基層)網(wǎng)絡(luò)通常采用RS485通信，RS485總線采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果需要使用環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就必須使用485中繼器或者485集線器才可以實現(xiàn)。
[0005](3)整個控制系統(tǒng)的供電設(shè)計復(fù)雜。一架液壓支架一個控制器的設(shè)計使得過多的液壓支架控制器因供電關(guān)系而被分組，相鄰的最多六至七個控制器由一路獨立的直流電源供電，成為一個控制器組。供電的隔斷使得組與組之間還需接入一個隔離耦合器，它隔斷了組與組之間的電氣聯(lián)接，而又需要通過光電耦合聯(lián)通數(shù)據(jù)信號，這種方式雖然是為了達(dá)到本質(zhì)安全性能所采取的不得已的措施，但是使得整個系統(tǒng)供電設(shè)計的復(fù)雜性過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，應(yīng)用簡便，傳輸快捷，功能可靠，能夠大大減少控制層CAN總線通訊的節(jié)點數(shù)目，顯著簡化接線的復(fù)雜程度，明顯優(yōu)化控制系統(tǒng)的供電設(shè)計。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本液壓支架電液控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控計算機、巷道主機、礦井自動化網(wǎng)絡(luò)、隔離耦合器、液壓支架電液控制單元、采煤機位置傳感器和電源電纜；系統(tǒng)中以每個液壓支架控制器為中心構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，信息子網(wǎng)之間的液壓支架控制器通過CAN總線通訊，信息子網(wǎng)通過隔離耦合器構(gòu)成工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)；巷道主機通過網(wǎng)絡(luò)變換器對工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機報送到地面主機；
[0008]液壓支架控制器與ASI總線主機相連，ASI總線主機連接在ASI總線上，構(gòu)成ASI總線主站，首先在一臺液壓支架控制器上安裝ASI總線主機芯片構(gòu)成一臺主站，然后主站安裝在一組由多臺液壓支架的中間支架上，在每臺液壓支架上分布有從站，每臺液壓支架上的傳感器和執(zhí)行器均以液壓支架為單位編址連接在ASI總線上；
[0009]單獨的ASI接口模塊作為從機安裝在每臺液壓支架上，每臺液壓支架上的壓力傳感器、紅外傳感器、行程傳感器和電磁線圈驅(qū)動器均連接在本支架的從機上，每臺從機均連接在ASI總線上，構(gòu)成分離式ASI總線從站；
[0010]一個主站與至多三十二個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)上的電源裝置通過ASI總線向主機和從機提供工作電源。
[0011]一個主站與七個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)。
[0012]相鄰的至多六個信息子網(wǎng)由一路獨立直流電源供電構(gòu)成一個供電單元。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本液壓支架電液控制系統(tǒng)的有益效果是:
[0014](I)使控制層CAN總線節(jié)點大大縮減(由原來100多個節(jié)點減少至10余個通訊節(jié)點)，大大減少了控制層通訊的復(fù)雜程度，更好的保證了控制層網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性。
[0015](2)大大簡化了整個控制系統(tǒng)設(shè)備通信線路接線的復(fù)雜程度。主機對應(yīng)每個從機只需要兩根通訊線連接并兼顧了供電功能，省去了傳統(tǒng)通訊方式大量的硬件開銷，此外控制層由于節(jié)點數(shù)目的減少而節(jié)省了大量的連接導(dǎo)線和安裝費用。
[0016](3)由于控制層通訊節(jié)點的減少使得原來的十幾組支架控制器的分組減少為兩組甚至更少，更兼基層采用ASI通訊，電纜在傳遞數(shù)據(jù)的同時擔(dān)負(fù)了供電任務(wù)，這使得整個控制系統(tǒng)省去了大量的供電系統(tǒng)的設(shè)計，使得供電系統(tǒng)簡單方便。
[0017](4)基層采用的ASI總線訪問方式簡單，在不增加傳輸周期的條件下包括了更多的參數(shù)和信息，同時傳輸周期的時間可以自動調(diào)整(如信息子網(wǎng)有31從站時周期為5ms，只有7個從站時周期約為1ms)，系統(tǒng)采用這種先進(jìn)的方式相對于令牌傳遞的多主機訪問方式和CSMA/CD方式大大提高了系統(tǒng)整體的靈活性，并且有效降低了從站的費用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為基于ASI總線模式的液壓支架電液控制系統(tǒng)組成框圖；
[0019]圖2為基層ASI總線信息子網(wǎng)結(jié)構(gòu)原理圖；
[0020]圖3為液壓支架控制系統(tǒng)電液控制單元結(jié)構(gòu)原理圖；
[0021]圖4為ASI總線信息子網(wǎng)接口分類圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0023]如圖1所示，本液壓支架電液控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控計算機、巷道主機、礦井自動化網(wǎng)絡(luò)、隔離耦合器、液壓支架電液控制單元、采煤機位置傳感器和電源電纜；系統(tǒng)中以每個液壓支架控制器為中心構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，信息子網(wǎng)之間的液壓支架控制器通過CAN總線通訊，信息子網(wǎng)通過隔離耦合器構(gòu)成工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)；巷道主機通過網(wǎng)絡(luò)變換器對工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機報送到地面主機；
[0024]如圖2所示，信息子網(wǎng)以液壓支架控制器為中心組網(wǎng)，液壓支架控制器與ASI總線主機相連，ASI總線主機連接在ASI總線上，構(gòu)成ASI總線主站，首先在一臺液壓支架控制器上安裝ASI總線主機芯片構(gòu)成一臺主站，然后主站安裝在一組由多臺液壓支架的中間支架上，在每臺液壓支架上分布有從站，每臺液壓支架上的傳感器和執(zhí)行器均以液壓支架為單位編址連接在ASI總線上；單獨的ASI接口模塊作為從機安裝在每臺液壓支架上，每臺液壓支架上的壓力傳感器、紅外傳感器、行程傳感器和電磁線圈驅(qū)動器均連接在本支架的從機上，每臺從機均連接在ASI總線上，構(gòu)成分離式ASI總線從站。即一個信息子網(wǎng)中的控制器和傳感器及執(zhí)行器通過ASI總線進(jìn)行通信，ASI總線為主從機構(gòu)，主機是整個信息子網(wǎng)的中心，主機使用專門的插卡插在支架控制器的總線插槽內(nèi)，以這種方式將ASI總線和控制器CPU連接起來；從站使用的是分離式結(jié)構(gòu)，這種從站由ASI模塊接口和普通的傳感器和執(zhí)行器組成；ASI接口模塊中帶有ASI總線從機芯片以及相應(yīng)的外圍電路和存儲器，從機芯片除了通信接口外還有I/O接口，這些I/O接口和傳感器和執(zhí)行器連接起來，共同構(gòu)成分離式的從站。
[0025]一個主站與至多三十二個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，不同的信息子網(wǎng)之間按順序通過CAN總線互聯(lián)，共同組成系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上的電源裝置通過ASI總線向主機和從機提供工作電源。
[0026]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，一個主站與七個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，不同的信息子網(wǎng)共同組成系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，主站可以輪流發(fā)送請求信號，并接收各個從站的應(yīng)答信號。
[0027]每個ASI總線信息子網(wǎng)定義3種邏輯接口、4種物理接口和兩種電源接口，接口 1、
2、3為邏輯接口，接口 A、B、C、D為物理接口，接口 E、F為電源接口 ；邏輯接口 1、2、3分別表示現(xiàn)場設(shè)備-ASI從機-ASI主機-液壓支架控制器之間的接口 ；在本系統(tǒng)中主站作為系統(tǒng)的核心它是由支架控制器和ASI總線主機共同組成的；控制器和ASI主機之間的物理接口為接口 D，主機和ASI總線電纜之間的物理接口為接口 C ;信息子網(wǎng)的從站是由專門設(shè)計的ASI從機模塊和傳感器及執(zhí)行器相連組成，ASI從機模塊和ASI總線電纜通過物理接口 B相連;ASI電源通過接口 E和ASI電纜連接；對于現(xiàn)場設(shè)備來說，若供電需求更大的電壓電流則可以很方便的外接功率輔助電源并通過物理接口F相連。
[0028]相鄰的至多六個信息子網(wǎng)由一路獨立直流電源供電構(gòu)成一個供電單元，通信網(wǎng)絡(luò)上的電源裝置可以向主站和從站提供工作電源，供電單元之間通過隔離耦合器隔斷進(jìn)行通信，分組的標(biāo)志是組與組之間都接入一個隔離耦合器，它隔斷了組與組間的電氣聯(lián)接而又通過光電耦合傳輸數(shù)據(jù)信號，這種方式是為了達(dá)到本質(zhì)安全性能所采取的措施；隔離耦合器為電源的引入提供了通道。
[0029]本液壓支架電液控制系統(tǒng)的具體工作原理是:
[0030]如圖1所示，液壓支架電液控制系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控計算機、巷道主機、礦井自動化網(wǎng)絡(luò)、隔離耦合器、支架電液控制單元、采煤機位置傳感器和電源電纜等組成。系統(tǒng)中以每個支架控制器為中心構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，信息子網(wǎng)間的支架控制器通過CAN總線通訊，不同組的信息子網(wǎng)可以通過隔離耦合器進(jìn)行通信，構(gòu)成了工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。巷道主機通過網(wǎng)絡(luò)變換器對工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機報送到地面主機。
[0031 ] 如圖2所示，信息子網(wǎng)以支架控制器為中心組網(wǎng)，支架控制器連帶其外圍設(shè)備如存儲器和電源，與ASI總線的主機(master)相連，其中主機有專門的擴展芯片插在控制器(例如STM32/103VC)的電路板的擴展插槽中，主機連接在總線上。從圖中可看到從機的結(jié)構(gòu)做成一個單獨的ASI接口模塊，這個模塊安裝在每臺支架上，每臺支架的三個傳感器和一個電磁線圈驅(qū)動器連接在本架的從機上，每臺從機都連接在總線上，一個主站加上七個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，不同的信息子網(wǎng)共同組成系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。主站可以輪流發(fā)出請求信號，并接受各從站的應(yīng)答信號，網(wǎng)絡(luò)上的電源裝置可向主機和從機提供工作電源。
[0032]如圖3所示，支架電液控制單元中支架控制器的數(shù)據(jù)采集檢測通道通過各傳感器分別檢測液壓支架的立柱壓力、移架步距和平衡傾角，并將檢測數(shù)據(jù)報送到控制器中，控制器通過判斷這些反饋信息決定支架控制的動作，液壓缸的動作則是通過支架控制器的電磁驅(qū)動控制通道向各個電磁先導(dǎo)閥發(fā)出電信號，控制先導(dǎo)閥的動作。電磁先導(dǎo)閥實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換，并通過主閥控制各油缸的動作，實現(xiàn)支架動作的自動控制。
[0033]如圖4所示，每個ASI總線信息子網(wǎng)定義了 3種邏輯接口，4種物理接口，和兩種電源接口。接口 1、2、3為邏輯接口，接口 A、B、C、D為物理接口，接口 E、F為電源接口。從圖中可以看到，邏輯接口 1、2、3分別表示現(xiàn)場設(shè)備-ASI從機-ASI主機-液壓支架控制器之間的接口。在本系統(tǒng)中主站作為系統(tǒng)的核心它是由支架控制器和ASI總線主機共同組成的?？刂破骱虯SI主機之間的物理接口為接口 D，主機和ASI總線電纜之間的物理接口為接口 C。信息子網(wǎng)的從站是由專門設(shè)計的ASI從機模塊和傳感器及執(zhí)行器相連組成，ASI從機模塊和ASI總線電纜通過物理接口 B相連。ASI電源通過接口 E和ASI電纜連接。對現(xiàn)場設(shè)備來講，若供電需求更大的電壓電流則可以很方便的外接功率輔助電源并通過物理接口F相連。從機的地址為5位，可以有32個地址，ASI總線規(guī)定地址“O”留作在“地址自動分配”中做特殊用途。按照從I?31編址。每個從機最多可以有4個I/O 口，故一個信息子網(wǎng)最多可連接124個傳感器/執(zhí)行器，本設(shè)計完全可以滿足需求。
[0034]綜上所述，本液壓支架電液控制系統(tǒng)首先在一臺液壓支架控制器上安裝ASI總線主機芯片構(gòu)成一臺主站，然后主站安裝在一組由七臺液壓支架的中間支架上，在每臺液壓支架上分布有從站，每臺液壓支架上(視支架的具體形式而定，此處以兩柱式掩護(hù)型液壓支架為例)都設(shè)有一個立柱壓力傳感器，一個推移千斤頂行程傳感器，一個紅外線接收器，一個電磁線圈驅(qū)動器(連接對應(yīng)液壓缸的電磁先導(dǎo)閥，視支架的具體形式而定驅(qū)動的電磁先導(dǎo)閥的數(shù)目)，每臺液壓支架上的傳感器和執(zhí)行器均以液壓支架為單位編址連接在ASI總線上；
[0035]通過ASI總線實現(xiàn)液壓支架控制器的數(shù)據(jù)采集和檢測，液壓支架控制器通過壓力傳感器、紅外傳感器和行程傳感器檢測液壓支架的立柱壓力和移架步距，并將檢測數(shù)據(jù)通過ASI總線報送到液壓支架控制器中，液壓支架控制器通過判斷這些反饋數(shù)據(jù)決定液壓支架的控制動作，液壓支架的動作通過液壓支架控制器的電磁驅(qū)動控制通道向各個電磁先導(dǎo)閥發(fā)出電信號，控制先導(dǎo)閥的動作，電磁先導(dǎo)閥實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換，并通過主閥控制各油缸的動作，實現(xiàn)液壓支架動作的自動控制。
[0036]本液壓支架電液控制系統(tǒng)使控制層CAN總線節(jié)點大大縮減，減少了控制層通訊的復(fù)雜程度，更好的保證了控制層網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性；簡化了整個控制系統(tǒng)設(shè)備通信線路接線的復(fù)雜程度，主機對應(yīng)每個從機只需要兩根通訊線連接并兼顧了供電功能，省去了傳統(tǒng)通訊方式大量的硬件開銷，此外控制層由于節(jié)點數(shù)目的減少而節(jié)省了大量的連接導(dǎo)線和安裝費用；由于控制層通訊節(jié)點的減少使得原來的十幾組支架控制器的分組減少為兩組甚至更少，更兼基層采用ASI通訊，電纜在傳遞數(shù)據(jù)的同時擔(dān)負(fù)了供電任務(wù)，這使得整個控制系統(tǒng)省去了大量的供電系統(tǒng)的設(shè)計，使得供電系統(tǒng)簡單方便；基層采用的ASI總線訪問方式簡單，在不增加傳輸周期的條件下包括了更多的參數(shù)和信息，同時傳輸周期的時間可以自動調(diào)整，系統(tǒng)采用這種先進(jìn)的方式相對于令牌傳遞的多主機訪問方式和CSMA/CD方式大大提高了系統(tǒng)整體的靈活性，并且有效降低了從站的費用。
【權(quán)利要求】
1.一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控計算機、巷道主機、礦井自動化網(wǎng)絡(luò)、隔離耦合器、液壓支架電液控制單元、采煤機位置傳感器和電源電纜； 系統(tǒng)中以每個液壓支架控制器為中心構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，信息子網(wǎng)之間的液壓支架控制器通過CAN總線通訊，信息子網(wǎng)通過隔離耦合器構(gòu)成工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)； 巷道主機通過網(wǎng)絡(luò)變換器對工作面控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制與集中管理，并將工作面數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)交換機報送到地面主機； 其特征在于，液壓支架控制器與ASI總線主機相連，ASI總線主機連接在ASI總線上，構(gòu)成ASI總線主站，首先在一臺液壓支架控制器上安裝ASI總線主機芯片構(gòu)成一臺主站，然后主站安裝在一組由多臺液壓支架的中間支架上，在每臺液壓支架上分布有從站，每臺液壓支架上的傳感器和執(zhí)行器均以液壓支架為單位編址連接在ASI總線上； 單獨的ASI接口模塊作為從機安裝在每臺液壓支架上，每臺液壓支架上的壓力傳感器、紅外傳感器、行程傳感器和電磁線圈驅(qū)動器均連接在本支架的從機上，每臺從機均連接在ASI總線上，構(gòu)成分離式ASI總線從站； 一個主站與至多三十二個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)上的電源裝置通過ASI總線向主機和從機提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，其特征在于，一個主站與七個從站通過ASI總線相連構(gòu)成一個信息子網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種液壓支架電液控制系統(tǒng)，其特征在于，相鄰的至多六個信息子網(wǎng)由一路獨立直流電源供電構(gòu)成一個供電單元。
【文檔編號】E21D23/26GK103573281SQ201310389764
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】王忠賓, 馮帥, 譚超, 周曉謀, 姚新港, 張霖, 李付生, 王冠鑫, 劉新華 申請人:中國礦業(yè)大學(xué), 中平能化集團機械制造有限公司