CN103573281A - 一种液压支架电液控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压支架电液控制系统，属于液压支架自动控制技术领域。本系统是在基层信息子网中采用了ASI总线进行组网，基层信息子网间采用CAN总线通信，不同组的信息子网可以通过隔离耦合器进行通信，构成系统控制层网络，控制层通过井下的网络端口和巷道主机相连，井下工作面巷道主机通过网络变换器对工作面控制系统通信网络进行集中控制与集中管理，并将工作面数据通过井下环网交换机报送到地面主机；基于本系统的实现方式是基层网络采用一个控制器控制若干台液压支架，以减少控制层CAN总线的通讯节点。本发明有效解决了目前支架电液控制系统中CAN总线节点过多，供电设计复杂，系统设备通讯线路接线过于复杂的技术问题。

Description

一种液压支架电液控制系统

技术领域

本发明涉及一种液压支架电液控制系统，具体是涉及一种基于ASI总线的新型全工作面矿用液压支架集中控制系统，属于液压支架自动控制技术领域。

背景技术

早在20世纪50年代，英国就已经开始研究液压支架的遥控技术，50多年来，世界各主要产煤国都在积极开展液压支架电液控制系统的研究。我国自20世纪80年代中期开始研制液压支架电液控制系统。目前，国内常用的液压支架电液控制系统均采用一台液压支架一个控制器，并且控制器间采用CAN总线进行通信，而控制器与传感器和执行器之间的通信则采用传统的RS485规范，建立星型主从式集中控制局域网，这种RS485为第一层（基层），CAN为第二层（控制层）的两层结构（也有的产品有顺槽控制器，通过支架控制器的网络端口与控制层的CAN总线网络相连接，构成第三层工控机或服务器，即构成第三层管理层；还有的产品会配置地面服务器对传输到地面的数据库进行集中管理，构成第四层服务层）存在以下几点严重的缺陷及不足：

（1）实际煤矿井下工作面液压支架的数量可以多达120台以上，而CAN总线的节点数量上限为110个，一架液压支架一个控制器使得控制层的通讯节点数目会接近甚至超过CAN总线节点数目的最大极限。所以一架液压支架一个控制器的结构造成控制层的通讯节点过多，使得控制层的通讯复杂程度过高，继而使得控制层网络的实时性和可靠性大大受损。

（2）整个控制系统设备的通信线路接线过多。由于一架液压支架一个控制器使得每个控制器都要与相邻的两个控制器进行全双工串行通信，两两之间至少需要两根数据线，使得整个控制层的接线非常复杂；此外目前国内的电液控制系统的第一层（基层）网络通常采用RS485通信，RS485总线采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络结构，如果需要使用环形或星型网络结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以实现。

（3）整个控制系统的供电设计复杂。一架液压支架一个控制器的设计使得过多的液压支架控制器因供电关系而被分组，相邻的最多六至七个控制器由一路独立的直流电源供电，成为一个控制器组。供电的隔断使得组与组之间还需接入一个隔离耦合器，它隔断了组与组之间的电气联接，而又需要通过光电耦合联通数据信号，这种方式虽然是为了达到本质安全性能所采取的不得已的措施，但是使得整个系统供电设计的复杂性过高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液压支架电液控制系统，应用简便，传输快捷，功能可靠，能够大大减少控制层CAN总线通讯的节点数目，显著简化接线的复杂程度，明显优化控制系统的供电设计。

为了实现上述目的，本液压支架电液控制系统包括地面监控计算机、巷道主机、矿井自动化网络、隔离耦合器、液压支架电液控制单元、采煤机位置传感器和电源电缆；系统中以每个液压支架控制器为中心构成一个信息子网，信息子网之间的液压支架控制器通过CAN总线通讯，信息子网通过隔离耦合器构成工作面控制系统通信网络；巷道主机通过网络变换器对工作面控制系统通信网络进行集中控制与集中管理，并将工作面数据通过井下环网交换机报送到地面主机；

液压支架控制器与ASI总线主机相连，ASI总线主机连接在ASI总线上，构成ASI总线主站，首先在一台液压支架控制器上安装ASI总线主机芯片构成一台主站，然后主站安装在一组由多台液压支架的中间支架上，在每台液压支架上分布有从站，每台液压支架上的传感器和执行器均以液压支架为单位编址连接在ASI总线上；

单独的ASI接口模块作为从机安装在每台液压支架上，每台液压支架上的压力传感器、红外传感器、行程传感器和电磁线圈驱动器均连接在本支架的从机上，每台从机均连接在ASI总线上，构成分离式ASI总线从站；

一个主站与至多三十二个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网，网络上的电源装置通过ASI总线向主机和从机提供工作电源。

一个主站与七个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网。

相邻的至多六个信息子网由一路独立直流电源供电构成一个供电单元。

与现有技术相比，本液压支架电液控制系统的有益效果是：

（1）使控制层CAN总线节点大大缩减（由原来100多个节点减少至10余个通讯节点），大大减少了控制层通讯的复杂程度，更好的保证了控制层网络的实时性和可靠性。

（2）大大简化了整个控制系统设备通信线路接线的复杂程度。主机对应每个从机只需要两根通讯线连接并兼顾了供电功能，省去了传统通讯方式大量的硬件开销，此外控制层由于节点数目的减少而节省了大量的连接导线和安装费用。

（3）由于控制层通讯节点的减少使得原来的十几组支架控制器的分组减少为两组甚至更少，更兼基层采用ASI通讯，电缆在传递数据的同时担负了供电任务，这使得整个控制系统省去了大量的供电系统的设计，使得供电系统简单方便。

（4）基层采用的ASI总线访问方式简单，在不增加传输周期的条件下包括了更多的参数和信息，同时传输周期的时间可以自动调整（如信息子网有31从站时周期为5ms，只有7个从站时周期约为1ms），系统采用这种先进的方式相对于令牌传递的多主机访问方式和CSMA/CD方式大大提高了系统整体的灵活性，并且有效降低了从站的费用。

附图说明

图1为基于ASI总线模式的液压支架电液控制系统组成框图；

图2为基层ASI总线信息子网结构原理图；

图3为液压支架控制系统电液控制单元结构原理图；

图4为ASI总线信息子网接口分类图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本液压支架电液控制系统包括地面监控计算机、巷道主机、矿井自动化网络、隔离耦合器、液压支架电液控制单元、采煤机位置传感器和电源电缆；系统中以每个液压支架控制器为中心构成一个信息子网，信息子网之间的液压支架控制器通过CAN总线通讯，信息子网通过隔离耦合器构成工作面控制系统通信网络；巷道主机通过网络变换器对工作面控制系统通信网络进行集中控制与集中管理，并将工作面数据通过井下环网交换机报送到地面主机；

如图2所示，信息子网以液压支架控制器为中心组网，液压支架控制器与ASI总线主机相连，ASI总线主机连接在ASI总线上，构成ASI总线主站，首先在一台液压支架控制器上安装ASI总线主机芯片构成一台主站，然后主站安装在一组由多台液压支架的中间支架上，在每台液压支架上分布有从站，每台液压支架上的传感器和执行器均以液压支架为单位编址连接在ASI总线上；单独的ASI接口模块作为从机安装在每台液压支架上，每台液压支架上的压力传感器、红外传感器、行程传感器和电磁线圈驱动器均连接在本支架的从机上，每台从机均连接在ASI总线上，构成分离式ASI总线从站。即一个信息子网中的控制器和传感器及执行器通过ASI总线进行通信，ASI总线为主从机构，主机是整个信息子网的中心，主机使用专门的插卡插在支架控制器的总线插槽内，以这种方式将ASI总线和控制器CPU连接起来；从站使用的是分离式结构，这种从站由ASI模块接口和普通的传感器和执行器组成；ASI接口模块中带有ASI总线从机芯片以及相应的外围电路和存储器，从机芯片除了通信接口外还有I/O接口，这些I/O接口和传感器和执行器连接起来，共同构成分离式的从站。

一个主站与至多三十二个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网，不同的信息子网之间按顺序通过CAN总线互联，共同组成系统的通信网络，网络上的电源装置通过ASI总线向主机和从机提供工作电源。

作为本发明的优选实施方式，一个主站与七个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网，不同的信息子网共同组成系统的通信网络，主站可以轮流发送请求信号，并接收各个从站的应答信号。

每个ASI总线信息子网定义3种逻辑接口、4种物理接口和两种电源接口，接口1、2、3为逻辑接口，接口A、B、C、D为物理接口，接口E、F为电源接口；逻辑接口1、2、3分别表示现场设备-ASI从机-ASI主机-液压支架控制器之间的接口；在本系统中主站作为系统的核心它是由支架控制器和ASI总线主机共同组成的；控制器和ASI主机之间的物理接口为接口D，主机和ASI总线电缆之间的物理接口为接口C；信息子网的从站是由专门设计的ASI从机模块和传感器及执行器相连组成，ASI从机模块和ASI总线电缆通过物理接口B相连；ASI电源通过接口E和ASI电缆连接；对于现场设备来说，若供电需求更大的电压电流则可以很方便的外接功率辅助电源并通过物理接口F相连。

相邻的至多六个信息子网由一路独立直流电源供电构成一个供电单元，通信网络上的电源装置可以向主站和从站提供工作电源，供电单元之间通过隔离耦合器隔断进行通信，分组的标志是组与组之间都接入一个隔离耦合器，它隔断了组与组间的电气联接而又通过光电耦合传输数据信号，这种方式是为了达到本质安全性能所采取的措施；隔离耦合器为电源的引入提供了通道。

本液压支架电液控制系统的具体工作原理是：

如图1所示，液压支架电液控制系统主要由地面监控计算机、巷道主机、矿井自动化网络、隔离耦合器、支架电液控制单元、采煤机位置传感器和电源电缆等组成。系统中以每个支架控制器为中心构成一个信息子网，信息子网间的支架控制器通过CAN总线通讯，不同组的信息子网可以通过隔离耦合器进行通信，构成了工作面控制系统通信网络。巷道主机通过网络变换器对工作面控制系统通信网络进行集中控制与集中管理，并将工作面数据通过井下环网交换机报送到地面主机。

如图2所示，信息子网以支架控制器为中心组网，支架控制器连带其外围设备如存储器和电源，与ASI总线的主机（master）相连，其中主机有专门的扩展芯片插在控制器（例如STM32/103VC）的电路板的扩展插槽中，主机连接在总线上。从图中可看到从机的结构做成一个单独的ASI接口模块，这个模块安装在每台支架上，每台支架的三个传感器和一个电磁线圈驱动器连接在本架的从机上，每台从机都连接在总线上，一个主站加上七个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网，不同的信息子网共同组成系统的通信网络。主站可以轮流发出请求信号，并接受各从站的应答信号，网络上的电源装置可向主机和从机提供工作电源。

如图3所示，支架电液控制单元中支架控制器的数据采集检测通道通过各传感器分别检测液压支架的立柱压力、移架步距和平衡倾角，并将检测数据报送到控制器中，控制器通过判断这些反馈信息决定支架控制的动作，液压缸的动作则是通过支架控制器的电磁驱动控制通道向各个电磁先导阀发出电信号，控制先导阀的动作。电磁先导阀实现电液信号的转换，并通过主阀控制各油缸的动作，实现支架动作的自动控制。

如图4所示，每个ASI总线信息子网定义了3种逻辑接口，4种物理接口，和两种电源接口。接口1、2、3为逻辑接口，接口A、B、C、D为物理接口，接口E、F为电源接口。从图中可以看到，逻辑接口1、2、3分别表示现场设备-ASI从机-ASI主机-液压支架控制器之间的接口。在本系统中主站作为系统的核心它是由支架控制器和ASI总线主机共同组成的。控制器和ASI主机之间的物理接口为接口D，主机和ASI总线电缆之间的物理接口为接口C。信息子网的从站是由专门设计的ASI从机模块和传感器及执行器相连组成，ASI从机模块和ASI总线电缆通过物理接口B相连。ASI电源通过接口E和ASI电缆连接。对现场设备来讲，若供电需求更大的电压电流则可以很方便的外接功率辅助电源并通过物理接口F相连。从机的地址为5位，可以有32个地址，ASI总线规定地址“0”留作在“地址自动分配”中做特殊用途。按照从1～31编址。每个从机最多可以有4个I/O口，故一个信息子网最多可连接124个传感器/执行器，本设计完全可以满足需求。

综上所述，本液压支架电液控制系统首先在一台液压支架控制器上安装ASI总线主机芯片构成一台主站，然后主站安装在一组由七台液压支架的中间支架上，在每台液压支架上分布有从站，每台液压支架上（视支架的具体形式而定，此处以两柱式掩护型液压支架为例）都设有一个立柱压力传感器，一个推移千斤顶行程传感器，一个红外线接收器，一个电磁线圈驱动器（连接对应液压缸的电磁先导阀，视支架的具体形式而定驱动的电磁先导阀的数目），每台液压支架上的传感器和执行器均以液压支架为单位编址连接在ASI总线上；

通过ASI总线实现液压支架控制器的数据采集和检测，液压支架控制器通过压力传感器、红外传感器和行程传感器检测液压支架的立柱压力和移架步距，并将检测数据通过ASI总线报送到液压支架控制器中，液压支架控制器通过判断这些反馈数据决定液压支架的控制动作，液压支架的动作通过液压支架控制器的电磁驱动控制通道向各个电磁先导阀发出电信号，控制先导阀的动作，电磁先导阀实现电液信号的转换，并通过主阀控制各油缸的动作，实现液压支架动作的自动控制。

本液压支架电液控制系统使控制层CAN总线节点大大缩减，减少了控制层通讯的复杂程度，更好的保证了控制层网络的实时性和可靠性；简化了整个控制系统设备通信线路接线的复杂程度，主机对应每个从机只需要两根通讯线连接并兼顾了供电功能，省去了传统通讯方式大量的硬件开销，此外控制层由于节点数目的减少而节省了大量的连接导线和安装费用；由于控制层通讯节点的减少使得原来的十几组支架控制器的分组减少为两组甚至更少，更兼基层采用ASI通讯，电缆在传递数据的同时担负了供电任务，这使得整个控制系统省去了大量的供电系统的设计，使得供电系统简单方便；基层采用的ASI总线访问方式简单，在不增加传输周期的条件下包括了更多的参数和信息，同时传输周期的时间可以自动调整，系统采用这种先进的方式相对于令牌传递的多主机访问方式和CSMA/CD方式大大提高了系统整体的灵活性，并且有效降低了从站的费用。

Claims (3)

1.一种液压支架电液控制系统，包括地面监控计算机、巷道主机、矿井自动化网络、隔离耦合器、液压支架电液控制单元、采煤机位置传感器和电源电缆；

系统中以每个液压支架控制器为中心构成一个信息子网，信息子网之间的液压支架控制器通过CAN总线通讯，信息子网通过隔离耦合器构成工作面控制系统通信网络；

巷道主机通过网络变换器对工作面控制系统通信网络进行集中控制与集中管理，并将工作面数据通过井下环网交换机报送到地面主机；

其特征在于，液压支架控制器与ASI总线主机相连，ASI总线主机连接在ASI总线上，构成ASI总线主站，首先在一台液压支架控制器上安装ASI总线主机芯片构成一台主站，然后主站安装在一组由多台液压支架的中间支架上，在每台液压支架上分布有从站，每台液压支架上的传感器和执行器均以液压支架为单位编址连接在ASI总线上；

单独的ASI接口模块作为从机安装在每台液压支架上，每台液压支架上的压力传感器、红外传感器、行程传感器和电磁线圈驱动器均连接在本支架的从机上，每台从机均连接在ASI总线上，构成分离式ASI总线从站；

一个主站与至多三十二个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网，网络上的电源装置通过ASI总线向主机和从机提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种液压支架电液控制系统，其特征在于，一个主站与七个从站通过ASI总线相连构成一个信息子网。

3.根据权利要求1或2所述的一种液压支架电液控制系统，其特征在于，相邻的至多六个信息子网由一路独立直流电源供电构成一个供电单元。

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