CN102071956B - 一种工作面液压支架电液控制系统 - Google Patents

Abstract

一种工作面液压支架电液控制系统，包括：支架控制器(14)，与支架控制器(14)连接的控制终端、信息采集装置和电磁驱动器(21)；其中控制终端用于输入指令和显示接收到的数据信息；信息采集装置用于采集液压支架工作参数的数据；电磁驱动器(21)用于驱动电液控制阀组(22)；电液控制阀组(22)，与电磁驱动器(21)相连，用于控制液压支架管液通路的通断；支架控制器(14)用于下发来自通过控制终端的指令，以及将信息采集装置的采集液压支架工作参数的数据提供给控制终端。本发明适用于工作面液压支架。

Description

一种工作面液压支架电液控制系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下综采工作面的控制技术领域，特别是指一种工作面液压支架电液控制系统。

背景技术

随着采煤技术的不断发展，液压支架的控制系统得到了很大的改进，其中控制系统由原来的手动操作逐渐改进为电液自动控制，大大加快了工作面的移架速度。

早在20世纪50年代英国就已将液压支架的遥控技术列入研究计划，到20世纪80年代末至90年代初，随着微电子技术的发展，由英国道梯公司首先研制出全工作面电液控制系统，紧随其后威斯特伐利亚与Marco公司合作研制出Pm2电液控制系统，并发展为现有的Pm4和Pm32两个独立的分支，各公司都在积极开展自己的电液控制系统，这个时期的电液控制系统特点是系统功能简单，稳定性差，产品不断升级改造，逐步完善。到20世纪90年代中期，随着电子技术的迅猛发展，特别是嵌入式系统的发展，涌现出多种新型材料，使电液控制技术水平进一步提高，电液控制系统技术已经成熟。这个时期的电液控制系统基本采用嵌入式操作系统，具有速度快、容量大、集成度高，并内嵌操作系统，具有良好的性能。据不完全统计，目前已有300多个综采工作面使用电液控制液压支架，主要集中在美国、澳大利亚、德国、中国、斯洛文尼亚、南非、俄罗斯、波兰、墨西哥、加拿大等国家。

我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，自1995年研制成功国产第一台全工作面YLT型实用性液压支架电液控制系统以来，又有多种型号的电液控制系统液压支架问世。但我国生产的电液控制系统的液压支架还没有在井下大面积推广使用，许多高产高效工作面所用电液控制系统液压支架还需从国外进口。目前，我国有100多个综采工作面使用电液控制系统，PM31电液控制系统是目前国产液压支架的主流电液控制系统，占国内液压支架电液控制系统市场80％以上的份额。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种工作面液压支架电液控制系统，以提供一种适用于工作面液压支架的电液控制系统。

本发明提供的一种工作面液压支架电液控制系统，包括：支架控制器14，与支架控制器14连接的控制终端、信息采集装置和电磁驱动器21；其中

控制终端用于输入指令和显示接收到的数据信息；

信息采集装置用于采集液压支架工作参数的数据；

电磁驱动器21用于驱动电液控制阀组22；

电液控制阀组22，与电磁驱动器21相连，用于控制液压支架管液通路的通断；

支架控制器14用于下发来自通过控制终端的指令，以及将信息采集装置的采集液压支架工作参数的数据提供给控制终端。

其中，所述控制终端包括至少以下之一：

地下主机12，与支架控制器14通过网络连接；

地面主机11，与支架控制器14和/或地下主机12通过网络连接；

人机界面盒15。

其中，所述信息采集装置包括传感器，包括：分别与液压支架相连的行程传感器17、压力传感器18和倾角传感器19。

其中，还包括：

无线收发器16，与支架控制器14连接，用于通过无线的方式接收无线控制器23的控制指令和更新的程序提供给支架控制器14。

红外接收器20，通过红外通信的方式与采煤机26侧的红外发射器25进行通讯，用于接收采煤机的位置信息。

其中，所述支架控制器14包括：中央控制模块1411，与中央控制模块1411连接的CAN隔离收发模块1412、模拟信号调理模块1413、RS232收发模块1414、电磁驱动模块1419；其中

CAN隔离收发模块1412用于中央控制模块1411与外部数据传输的光电隔离；

模拟信号调理模块1413用于对从传感器接收的信号进行模数转换提供给中央控制模块1411；

RS232收发模块1414用于中央控制模块1411与所述人机界面盒15、无线收发器16和红外接收器20的数据传输；

电磁驱动模块1419用于将中央控制模块1411的指令输出至电磁驱动器21；

中央控制模块1411用于控制CAN隔离收发模块1412和RS232收发模块1414的数据传输、控制模拟信号调理模块1413的模数转换及向电磁驱动模块1419输出指令。

其中，所述支架控制器14还包括：与中央控制模块1411连接的下述装置：

外部扩展的掉电存储模块1416，用于实现掉电下的数据存储；

急停、闭锁检测与执行模块1417，对支架控制器的运行进行检测和执行；和/或

带低电压检测的看门狗模块1418，用于检测中央控制单元运行的程序。

其中，所述中央控制模块1411内置CAN控制器，用于控制两个CAN接口；

所述CAN隔离收发模块1412包括：

与所述CAN控制器连接两路隔离收发模块；

一路隔离收发模块包括依次连接的光电隔离器件、容错CAN收发器，所述容错CAN收发器包含的两个端口分别连接至通信端口和直流电子开关的一S端口；

另一路隔离收发模块包括依次连接的光电隔离器件、容错CAN收发器，所述容错CAN收发器包含的一个端口连接至用于直流电子开关的另一S端口；和

所述直流电子开关的D端口与中央控制模块1411内置CAN控制器连接；

所述中央控制模块1411内置CAN控制器用于控制电子开关的切换，以实现单路或双路CAN通讯方式。

由上可以看出，本发明所述的工作面液压支架电液控制系统组成完善、功能全面，提高了整个工作面的综采自动化水平；将人机界面盒独立出来提高了支架控制器的可靠性，方便对易损的人机界面盒进行维修和更换，且人机界面盒是可选安装部件，可降低整个系统的成本；人机界面布局新颖、独特，方便记忆和操作；可以实现CAN隔离通讯节点的扩展，而不必增加外置的电源适配器和隔离耦合器，从而节省器件和相关配件，使得系统更可靠、稳定。

本发明中，所述的人机界面盒与支架控制器组合灵活方便，支架控制器不接人机界面盒可独立工作；支架控制器通过通信电缆与人机界面盒连接，可通过人机界面盒控制支架控制器动作，并显示支架控制器的各种信息。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为人机界面盒的结构图；

图3为人机界面的示意图；

图4为支架控制器的整体结构图；

图5为支架控制器隔离耦合部分的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细解释。

如图1示出了本发明工作面液压支架电液控制系统，包括通过通讯总线连接的地面主机11、地下主机12、网络控制器13和至少一个支架控制器14，与支架控制器14连接的人机界面盒15、无线收发器16、行程传感器17、压力传感器18、倾角传感器19、红外接收器20和电磁驱动器21，与电磁驱动器21连接的电液控制阀组22。其中无线收发器16通过无线的方式与无线控制器进行通讯，其中，包括通过无线通信的方式下载更新的程序区更新支架控制器14中的程序。行程传感器17、压力传感器18、倾角传感器19和电液控制阀组22分别与液压支架相连。红外接收器20通过红外通信的方式与采煤机26侧的红外发射器25进行通讯。还包括为各个支架控制器14供电的防爆电源27。其中：

地面主机11布设于地面，如布设于监控指挥中心，可作为控制终端，用于下达指令(地面主机11具有人机界面，不再赘述)，以及接收地下主机12上传的信息并存储显示。其中，地面主机11可以为多台，均可接收地下主机12上传的信息，便于在不同地点的位置进行监控。当通过地面主机11下达指令时，同一时刻只能择一的发出指令，并将所发出的指令同时在其他地面主机11上进行显示，便于监控。

地下主机12布设于地下，如矿道内的监控中心，可作为控制终端，用于转发地面主机11下达的指令；以及接收来自网络控制器13的数据并进行存储、显示，及将该数据上传至地面主机11；还用于指令的下达(地下主机12具有人机界面，不再赘述)。

网络控制器13用于地下主机12与各个支架控制器14之间进行指令和数据的转发和网络变换，以及所转发的数据的必要的格式转换。

支架控制器14用于通过与其连接的行程传感器17、压力传感器18、倾角传感器19、红外接收器20采集液压支架24的工作状态信息和采煤机的位置信息；以及根据采集的这些信息控制电磁驱动器21去驱动电液控制阀组22，电液控制阀组22用于控制液压支架管液通路的通断，从而实现了控制液压支架动作的目的。

无线收发器16用于通过无线的方式接收无线控制器23发送的控制指令和更新程序提供给支架控制器14。

人机界面盒15用于作为控制终端与支架控制器1连接，用于发送控制指令。

由上可以看出，本发明可具有多个不同的控制终端，从而可具有四种方式对支架控制器14进行控制，如下：

一是通过地面主机11发送控制命令，分别通过地下主机12和网络控制器13发送到支架控制器14处，支架控制器14接收到控制命令后进行相应的控制动作；

二是地下主机12发送控制命令，通过网络控制器13转发给相应的支架控制器14，支架控制器14接收到控制命令后进行相应的控制动作；

三是用人机界面盒15给支架控制器14发送控制命令，支架控制器14接收到控制命令后进行相应的控制动作；

四是通过无线控制器23发送控制命令，支架控制器14通过无线收发器16收到命令后进行相应的控制动作。

另外此系统具有煤机联动功能，即将工作面的支架控制器设置为煤机联动方式后，支架控制器根据各传感器信息和煤机的运动位置和运动方向自动进行液压支架的控制，实现综采工作面的自动化。

如图2示出了本发明中的人机界面盒15的电路原理图，包括单片机151，分别与单片机连接的显示模块152、LED指示模块153、声光报警模块154、按键模块155和通信模块156。其中：

单片机151作为处理器，通过通信模块156与支架控制器14进行通讯，获取支架控制器14的参数信息和采集到的各个传感器的信息，并通过显示模块152进行显示；以及通过LED指示模块153显示自身工作状态及在需要报警时通过声光报警模块154发出报警信息；还拥有通过按键模块155接收用户输入的信息，通过通信模块156与支架控制器14进行通讯，修改参数和控制支架控制器14的动作。

如图3示出了人机界面盒提供的按键模块155的布局，按键模块155对应的面板最下面一行和面板中间两个按键是功能键，其余都是动作按键。图3面板是专为两柱掩护式液压支架设计的，面板上集成了所有的控制动作，并且各动作按键的位置符合支架各部分的实际位置。例如，推溜和喷雾都在支架的最前方，且推溜在支架下面，喷雾在支架上面，所以将这两个按键按照实际位置放于控制器的最左面，推溜键靠下，喷雾键靠上。面板除了集成所有单控键外，还有一成组键，当成组键按下后，再按各动作键，就实现成组操作，极大地扩充了按键的操作功能。该按键模块新颖、独特，并符合支架在实际工作中各部分所在位置，容易记忆和操作。

如上文，由于可采用四种方式对支架控制器14进行控制，因此人机界面盒不是每个支架控制器的必备部件，只需在经常操作的支架控制器位置安装人机界面盒即可。其优点在于人机界面盒与支架控制器连接方便、整个系统成本低、维修更换方便。

如图4示出了支架控制器14的电路原理图，包括中央控制模块1411，与中央控制模块1411连接的CAN隔离收发模块1412、模拟信号调理模块1413、RS232收发模块1414、供模数转换用基准电源模块1415、外部扩展的掉电存储模块1416、急停、闭锁检测与执行模块1417、带低电压检测的看门狗模块1418、电磁阀驱动模块1419、DC-DC供电电源模块1420和电池模块1421。其中：

中央控制模块1411，内置CPU，采用功能极为强大的实时多任务操作系统---UC/OS-II嵌入式操作系统。中央控制模块1411还内置CAN控制器，用于选择单线或双线CAN通讯方式(通过软件设置)，从而可以设置成软硬件冗余的通讯系统，提高了系统的可靠性。中央控制模块1411还内置可以控制六路模数转换的模数转换控制器，用于对模拟信号调理模块1413的数模转换进行控制。

CAN隔离收发模块1412，用于实现对外的光电隔离，以保护中央控制模块1411。

模拟信号调理模块1413，用于根据中央控制模块1411内置的模数转换控制器的控制对从传感器(行程传感器17、压力传感器18和倾角传感器19)接收的信号进行模数转换。其中，模拟信号调理模块1413具有六路模拟量输入电路接口，包括两路压力传感器接口、三路行程传感器接口、一路倾角传感器接口。

RS232收发模块1414，其包括的三个RS232收发器，分别连接一个RS232接口，分别用于中央控制模块1411与人机界面盒15、红外接收器20和无线收发器16之间相应指令和数据的传输。例如，接收用户通过人机界面盒15相关按键发出的操作指令提供给中央控制模块1411，又如，接收通过红外接收器20收到的涉及采煤机的工作状态的数据提供给中央控制模块1411，又如，接收通过无线收发器16收到的程序提供给中央控制模块1411，实现软件的录入和更新，以便系统调试。另外，RS232收发模块1414还可以用于和其他设备(包括无线接收器)连接，实现与外界信息的交互，实现对多种综采面自动化网络的无缝联接与信息融合。

电磁驱动模块1419，用于将中央控制模块1411的指令输出至电磁驱动器21，以驱动电液控制阀组22。其中，电磁阀驱动模块1419具有28路电磁阀输出接口，以分别连接外部电液控制阀组22的14个电磁先导阀。

外部扩展的掉电存储模块1416，用于实现掉电下的数据存储。

急停、闭锁检测与执行模块1417，对支架控制器的运行进行检测和执行。

带低电压检测的看门狗模块1418，用于检测中央控制单元运行的程序。

还包括供电模块，如DC-DC供电电源模块1420、供模数转换用基准电源模块1415、电池模块1421，不再赘述。

所述的CPU内置的可以控制两个CAN接口的一个CAN控制器，所述的CAN控制器通过CPU上相对应的确定端口与两个由容错CAN收发器、DC-DC隔离电源和光电隔离器件构成的CAN隔离收发模块连接，所述的容错CAN收发器根据需求来选择采用单线或双线通讯方式，所述的容错CAN收发器选择单线通讯方式就利用通讯地线做通讯回路。

如图5示出了CAN隔离收发模块1412电路示意图的一个例子，该例子为一路通讯和一路电源，支架控制器通讯插座为一个5芯通讯插座，所述的5芯通讯电缆及其插头插座中，由左到右，上到下依次为：一路为12VDC供电电源线缆，一路为供电地线线缆，一路为通讯地线线缆，一路为点对点连接线缆，一路为点对面连接线缆。

通讯插座其中的两芯与电源模块连接形成一路供电电源，向支架控制器提供电源。

通讯插座其中的一芯与DC-DC电源模块连接形成通讯地线，保证网络中支架控制器内通讯模块共地，实现通讯模块电源适配。电源模块与支架控制器内的DC-DC电源模块连接，向支架控制器内通讯模块提供电源。

通讯插座其中的两芯分别与1CAN收发器、电子开关中的D连接，1CAN收发器的1CANL和2CAN收发器的2CANH分别与电子开关中的S1、S2连接，电子开关的IN与所述的CPU连接，1CAN收发器和2CAN收发器分别与1光耦、2光耦连接，1光耦和2光耦与CPU内置的可以控制两个CAN接口的一个CAN控制器连接，形成1、2两路隔离通讯。这两路通讯一路为点对点通讯，一路为点对面通讯，可以选择单线或双线CAN通讯方式实现。这两路通讯可以互换，即可以承担点对点通讯也可以承担点对面通讯。通过软件设置，有中央控制模块控制电子开关IN接口信号(使能信号)就可以实现两种通讯以及单线或双线CAN通讯方式的互换。光耦作用是只传递信号，隔离电气的联接。

即，通过软件设置选择采用单线双路或双线单路通讯方式，所述的单线双路通讯方式下，所述的两个CAN隔离收发模块独立工作，分别实现与左右相邻支架控制器的点对点隔离的低速通讯和与全部支架控制器、相关的上一级控制器的点对面隔离的低速通讯，所述的两个CAN隔离收发模块都利用通讯地线做通讯回路；所述的双线单路通讯方式下，所述的两个CAN隔离收发模块结合工作，实现与左右相邻支架控制器的点对点隔离的高速通讯，所述的两个CAN隔离收发模块利用点对点连接线缆和点对面连接线缆做通讯回路。

使用本实施例的支架控制器，解决不同电源供电的支架控制器之间信号的隔离耦合问题，主要包括不同电源供电的支架控制器之间的电源隔离和信号隔离耦合。使用隔离耦合电路和CAN总线将各个支架控制器中的CAN通讯电路组成一个独立的网络，从而让支架控制器之间、支架控制器与上一级控制器之间的数据只在此网络中传输。通过这一措施实现CAN隔离通讯节点的扩展，而不必在每个支架组之间增加外置的电源适配器和耦合器，从而节省器件和相关配件。

使用本实施例的支架控制器，解决单线或双线CAN通讯方式的选择问题。使用可控电子开关实现单线或双线CAN通讯线路的自动切换，从而在紧急情况下使用双线CAN通讯方式提升数据传输的可靠性，并降低功耗，保证CAN总线技术在支架控制器中的应用。

另外，支架控制器14还具有对各个接口定时检测功能，确保各个传感器连接正确，当接错接口时，利用人机交互界面提示错误，当支架控制器14上接口未与传感器连接，CPU监测到后停止对其的操作(包括模数转换)，从而减少了软件的开销，保证支架控制器的工作效率。

另外，本发明传感器，即行程传感器17、压力传感器18和倾角传感器19，采用了输出电流的传感器，由中央控制模块14中的模拟信号调理模块实现对传感器输出信号进行转换为电压后的精密放大，同时对共模干扰信号进行抑制以提高信号质量。

采用输出电流的传感器是因为，若传感器输出电压信号，在远距离传输或电网干扰较大的场合中，信号抗干扰能力不足，有时还叠加交流成分，易使CPU误判，从而出现控制错误，严重时会损坏相关设备。故输出电流信号的传感器以其有较高抗干扰能力得到广泛应用，而中央控制模块1411只接收电压信号，因此需要由模拟信号调理模块将电流信号转换为电压信号再进行相关处理。电流信号的调理简单，主要在于选择合适的取样电阻。电流信号调理后，软件处理上较烦琐，但利用此信号能通过检测到正常范围内的电流信号与否来判断传感器相关电路是否故障。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种工作面液压支架电液控制系统，其特征在于，包括：支架控制器(14)，与支架控制器(14)连接的控制终端、信息采集装置和电磁驱动器(21)；其中

控制终端用于输入指令和显示接收到的数据信息，所述控制终端包括至少以下之一：

地下主机(12)，与支架控制器(14)通过网络连接；

地面主机(11)，与支架控制器(14)和/或地下主机(12)通过网络连接；

人机界面盒(15)，包括：单片机(151)和与其连接的通信模块(156)、显示模块(152)、LED指示模块(153)、声光报警模块(154)和按键模块(155)；

所述单片机(151)用于将通信模块(156)所获取支架控制器(14)的工作参数通过显示模块(152)显示；并通过LED指示模块(153)显示自身工作状态及通过声光报警模块(154)发出报警信息；以及将按键模块(155)所接收的用户输入的信息，通过通信模块(156)与支架控制器(14)进行通讯，修改参数和控制支架控制器(14)的动作；

信息采集装置为输出电流的传感器，用于采集液压支架工作参数的数据，信息采集装置包括：分别与液压支架相连的行程传感器(17)、压力传感器(18)和倾角传感器(19)；

电磁驱动器(21)用于驱动电液控制阀组(22)；

电液控制阀组(22)，与电磁驱动器(21)相连，用于控制液压支架管液通路的通断；

支架控制器(14)用于下发来自通过控制终端的指令，以及将信息采集装置的采集液压支架工作参数的数据提供给控制终端；

还包括：无线收发器(16)，与支架控制器(14)连接，用于通过无线的方式接收无线控制器(23)的控制指令或更新的程序提供给支架控制器(14)；

红外接收器(20)，通过红外通信的方式与采煤机(26)侧的红外发射器(25)进行通讯，用于接收采煤机的位置信息；

所述支架控制器(14)包括：中央控制模块(1411)，与中央控制模块(1411)连接的CAN隔离收发模块(1412)、模拟信号调理模块(1413)、RS232收发模块(1414)、电磁驱动模块(1419)；其中

CAN隔离收发模块(1412)用于中央控制模块(1411)与外部数据传输的光电隔离；

模拟信号调理模块(1413)用于对从传感器接收的信号进行模数转换提供给中央控制模块(1411)；

RS232收发模块(1414)用于中央控制模块(1411)与所述人机界面盒(15)、无线收发器(16)和红外接收器(20)的数据传输；

电磁驱动模块(1419)用于将中央控制模块(1411)的指令输出至电磁驱动器21；

中央控制模块(1411)用于控制CAN隔离收发模块(1412)和RS232收发模块(1414)的数据传输、控制模拟信号调理模块(1413)的模数转换及向电磁驱动模块(1419)输出指令；

所述支架控制器(14)还包括：与中央控制模块(1411)连接的

外部扩展的掉电存储模块(1416)，用于实现掉电下的数据存储；

急停、闭锁检测与执行模块(1417)，对支架控制器的运行进行检测和执行；和/或

带低电压检测的看门狗模块(1418)，用于检测中央控制单元运行的程序；

所述中央控制模块(1411)内置CAN控制器，用于控制两个CAN接口；

所述CAN隔离收发模块(1412)包括：

与所述CAN控制器连接两路隔离收发模块；

一路隔离收发模块包括依次连接的光电隔离器件、容错CAN收发器，所述容错CAN收发器包含的两个端口分别连接至通信端口和直流电子开关的一S端口；

另一路隔离收发模块包括依次连接的光电隔离器件、容错CAN收发器，所述容错CAN收发器包含的一个端口连接至用于直流电子开关的另一S端口；和

所述直流电子开关的D端口与中央控制模块(1411)内置CAN控制器连接；

所述中央控制模块(1411)内置CAN控制器用于控制电子开关的切换，以实现单路或双路CAN通讯方式。

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