CN104481567B - 一种无传感液压支架电液控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种无传感液压支架电液控制系统及方法，适用于煤矿井下设备自动化控制领域使用。包括相互连接的液压支架电液控制系统、变频调压装置和液压支架远程监控上位机。通过液压支架远程监控上位机收集各个液压支架的姿态信息，结合各个液压支架的支架操作器发送的工作信息，从而判断出液压支架的液压缸是否需要补压，并利用变频液压泵进行流量调节，省去液压缸液压传感器，由于本系统采用独立的液压支架姿态监测系统，将液压支架电液控制系统的控制与监测进行独立处理，使无传感控制可以不受其他系统的干扰，降低了系统的复杂性，同时也提高了系统的可维护性。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压支架电液控制系统及控制方法，尤其是一种煤矿井下设备自动化控制领域使用的无传感液压支架电液控制系统及控制方法。
背景技术
液压支架作为综采工作面极为重要的智能装备，对其控制的要求也越来越智能化，对其硬件的成本也越来越高。在液压支架出厂时，带电磁阀组的液压支架并不具备任何传感器，在进行液压支架电液控制系统设计与研发时，必须对液压支架进行相关的改造，延长了液压支架电液控制系统的设计与研发周期。
传统的液压支架电液控制系统在对液压支架进行改造的过程中，例如，为推移液压缸增加位移传感器的之后，如果位移传感器损坏，由于位移传感器安装在推移液压缸内部，在整个工作开采完成之后，将无法对位移传感器进行更换，系统将丧失此液压支架的位移传感信息，使系统在相关控制失效。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种结构简单，使用方便，不使用传感器即可用变频液压泵进行流量调节，通过液压泵流量监控，实现对液压支架液压缸位移监控的无传感液压支架电液控制系统及方法。
为实现上述技术目的，本发明的无传感液压支架电液控制系统，包括相互连接的液压支架电液控制系统、变频调压装置和液压支架远程监控上位机；
所述的液压支架电液控制系统包括通讯总线、设置在综采工作面中每个液压支架上的支架操作器和姿态监测器，所述的支架操作器为采集用户本地输入控制命令的装置，支架操作器和姿态监测器通过通讯总线互相连接并分别与变频调压装置以及液压支架远程监控上位机相连接；
变频调压装置包括相互连接的主控制器和变频调压装置；
所述主控制器包括液压支架控制模块、压力损失评测模块、泵站压力预估模块以及通信控制模块，其中通信控制模块的输入端分别与液压支架电液控制系统的通讯总线和液压支架远程监控上位机的输出端相连接，通信控制模块的输出端分别与液压支架控制模块和压力损失评测模块的输入端相连接，液压支架控制模块和压力损失评测模块之间相互连接方便数据交流，压力损失评测模块的输出端与泵站压力预估模块的输入端相连接，泵站压力预估模块的输出端与变频液压泵站相连接；
所述变频液压泵站包括相互连接的交流电机和液压泵，所述交流电机上设有变频器，所述泵站流量预估模块的输出端与变频器的输入端相连接，泵站压力预估模块为变频调压提供调节依据，将根据压力损失评测模块提供的基础数据，设置变频液压泵的调节量；
所述液压支架远程监控上位机通过与主控制器的通信控制模块，可将地面操作人员的远程控制命令送到主控制器的液压支架控制模块，从而控制本地液压支架进行相应的动作。同时，本地液压支架的姿态监控器实时的通过通讯总线将监测数据传输至地而液压支架远程监控上位机，为后续系统的压力损失评测提供监测数据。
所述液压支架控制模块为嵌入式工控处理器STM32，所述压力损失评测模块为DSP数据处理模块、泵站压力预估模块为DSP数据处理模块，通信控制模块为CAN/EtherCAT通信收发模块。
一种无传感液压支架电液控制系统的控制方法，其步骤如下：
a. 在综采工作面的液压支架上设置姿态监测器，姿态监测器实时采集液压支架姿态信息，并通过通讯总线将所采集到的液压支架姿态信息发送到液压支架远程监控上位机和变频调压装置中；
b. 液压支架远程监控上位机将接收到的各个液压支架姿态传感信息进行分析，从而得到各个液压支架中液压缸的动作加速度和倾斜度所构成的影响值，再通过动作加速度和倾斜度所构成的的影响值与预设值比较评判出各个液压缸在推溜中动作的平稳性，平稳性差的动作,当液压支架远程监控上位机检测到液压支架的动作加速度和倾斜度超过预设警戒值时，则判断液压支架平稳性差并出现抖动，液压支架远程监控上位机参考预设的正常液压支架压力参数向变频调压装置发送对出现抖动现象的液压支架进行供液补压命令，改善液压支架的压力值；
c. 综采工作面施工人员通过控制液压支架推移或升柱，通过支架操作器对液压支架发出工作指令，同时支架操作器将控制指令沿通讯总线通过通信控制模块发送到压力损失评测模块；
d. 通信控制模块接收液压支架远程监控上位机发送的影响值、预设的液压支架控制模块固有参数：包括液压支架数量和液压支架的液压缸规格数据，并将接收到的数据信息发送给主控制器的压力损失评测模块，由于综采面上各个液压支架的压力损失状况不一，因此压力损失评测模块根据所接收到液压支架远程监控上位机的控制命令以及支架操作器发送的液压支架工作指令，分别针对相应的各个液压支架式推移动作或升柱动作使用不同的预设失效评测准则来进行评测，通过评测得到发送工作指令相应的液压支架压力损失量信息，压力损失评测模块将通过评测得到的液压支架编号和液压支架压力损失量信息发送给泵站压力预估模块；
e. 泵站压力预估模块根据接收来自于压力损失评测模块发送的液压支架压力损失量信息，确定变频液压泵站压力的补偿量，变频液压泵站根据损失量通过液压管路向指定编号的液压支架补充液压油；
f. 重复上述步骤依次对综采工作面上液压支架的油压进行实时的调节，从而达到在液压支架无传感的条件下进行控制。
所述变频液压泵站可以手动控制对工作面上任意液压支柱进行补液操作；所述液压支架远程监控上位机上设有控制面板，并通过控制面板直接操作变频液压泵站对工作面上任意液压支柱进行补液操作。
有益效果：本发明通过液压支架远程监控上位机收集各个液压支架的姿态信息，结合各个液压支架的支架操作器发送的工作信息，从而判断出液压支架的液压缸是否需要补压，并利用变频液压泵进行流量调节，通过液压支架的位移信息判断出液压支架是否需要补充压力，省去液压缸液压传感器，此外，由于本系统采用独立的液压支架姿态监测系统，将液压支架电液控制系统的控制与监测进行独立处理，使无传感控制可以不受其他系统的干扰，降低了系统的复杂性，同时也提高了系统的可维护性。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明所述的 无传感液压支架控制系统的控制方法原理框图 ；
图3是本发明所述的无传感变频调压装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行进一步的阐述。
如图1所示，本发明的无传感液压支架电液控制系统，其特征在于：它包括相互连接的液压支架电液控制系统、变频调压装置和液压支架远程监控上位机；
所述的液压支架电液控制系统包括通讯总线、设置在综采工作面中每个液压支架上的支架操作器和姿态监测器，所述的支架操作器为采集用户本地输入控制命令的装置，支架操作器和姿态监测器通过通讯总线互相连接并分别与变频调压装置以及液压支架远程监控上位机相连接；
变频调压装置包括相互连接的主控制器和变频调压装置；
所述主控制器包括液压支架控制模块、压力损失评测模块、泵站压力预估模块以及通信控制模块，其中通信控制模块的输入端分别与液压支架电液控制系统的通讯总线和液压支架远程监控上位机的输出端相连接，通信控制模块的输出端分别与液压支架控制模块和压力损失评测模块的输入端相连接，液压支架控制模块和压力损失评测模块之间相互连接方便数据交流，压力损失评测模块的输出端与泵站压力预估模块的输入端相连接，泵站压力预估模块的输出端与变频液压泵站相连接；
所述的液压支架控制模块完成来自于用户对于液压支架的控制命令，包括本地控制命令与远程控制命令，对应液压支架操作器可以手动发出控制命令；液压支架远程监控上位机发出远程控制命令，为了保证安全，本系统采用与传统液压支架系统相同的控制优先级，即本地优先，远程次之；
所述的压力损失评测模块将根据液压支架电液控制系统固定参数，以及来自于液压支架远程监控上位机所采集到的液压支架姿态信息建立整个工作面所有液压支架相对于液压泵站位置的压力损失模型，为控制系统进行压力预估模块提供预测的基础数据；
所述变频液压泵站包括相互连接的交流电机和液压泵，所述交流电机上设有变频器，通过对变频器的变频控制，达到改变交流电机的转速与扭矩的目的，使得定量液压泵的输出流量按设置的目标进行变化，；所述泵站流量预估模块的输出端与变频器的输入端相连接，泵站压力预估模块为变频调压提供调节依据，将根据压力损失评测模块提供的基础数据，设置变频液压泵的调节量；
所述液压支架远程监控上位机通过与主控制器的通信控制模块，可将地面操作人员的远程控制命令送到主控制器的液压支架控制模块，从而控制本地液压支架进行相应的动作。同时，本地液压支架的姿态监控器实时的通过通讯总线将监测数据传输至地而液压支架远程监控上位机，为后续系统的压力损失评测提供监测数据。
所述液压支架控制模块为嵌入式工控处理器STM32，所述压力损失评测模块为DSP数据处理模块、泵站压力预估模块为DSP数据处理模块，通信控制模块为CAN/EtherCAT通信收发模块。
如图2所示，一种无传感液压支架电液控制系统的控制方法，其步骤如下：
a. 在综采工作面的液压支架上设置姿态监测器，姿态监测器实时采集液压支架姿态信息，并通过通讯总线将所采集到的液压支架姿态信息发送到液压支架远程监控上位机和变频调压装置中；
b. 液压支架远程监控上位机将接收到的各个液压支架姿态传感信息进行分析，从而得到各个液压支架中液压缸的动作加速度和倾斜度所构成的影响值，再通过动作加速度和倾斜度所构成的的影响值与预设值比较评判出各个液压缸在推溜中动作的平稳性，平稳性差的动作,当液压支架远程监控上位机检测到液压支架的动作加速度和倾斜度超过预设警戒值时，则判断液压支架平稳性差并出现抖动，液压支架远程监控上位机参考预设的正常液压支架压力参数向变频调压装置发送对出现抖动现象的液压支架进行供液补压命令，改善液压支架的压力值；
c. 综采工作面施工人员通过控制液压支架推移或升柱，通过支架操作器对液压支架发出工作指令，同时支架操作器将控制指令沿通讯总线通过通信控制模块发送到压力损失评测模块；
d. 通信控制模块接收液压支架远程监控上位机发送的影响值、预设的液压支架控制模块固有参数：包括液压支架数量和液压支架的液压缸规格数据，并将接收到的数据信息发送给主控制器的压力损失评测模块，由于综采面上各个液压支架的压力损失状况不一，因此压力损失评测模块根据所接收到液压支架远程监控上位机的控制命令以及支架操作器发送的液压支架工作指令，分别针对相应的各个液压支架式推移动作或升柱动作使用不同的预设失效评测准则来进行评测，通过评测得到发送工作指令相应的液压支架压力损失量信息，压力损失评测模块将通过评测得到的液压支架编号和液压支架压力损失量信息发送给泵站压力预估模块；
e. 泵站压力预估模块根据接收来自于压力损失评测模块发送的液压支架压力损失量信息，确定变频液压泵站压力的补偿量，变频液压泵站根据损失量通过液压管路向指定编号的液压支架补充液压油；
f. 重复上述步骤依次对综采工作面上液压支架的油压进行实时的调节，从而达到在液压支架无传感的条件下进行控制。
所述变频液压泵站可以手动控制对工作面上任意液压支柱进行补液操作。
所述液压支架远程监控上位机上设有控制面板，并通过控制面板直接操作变频液压泵站对工作面上任意液压支柱进行补液操作。
如图3所示，推移液压缸的推移动过程为：
在开始推移动作之前，所述的主控制器需要进行系统初始化，系统初始化的工作需要对系统固有参数进行设置，包括对第 个液压支架当前动作的液压缸的缸径，第个液压支架与第个液压支架之间的液压管道长度，液压泵的乳化液密度等参数。
主控制器预设对于整个综采工作面所有液压支架的每一个液压缸的理论损失模型，每个液压缸都拥有一个输入与输出的压力值以及，分别为液压缸输出与输入的压力与流量值；
每个液压缸的理论损失量如下式所示：
对于每个液压支架的液压缸都建立类似如上所示的液压缸损失模型。该液压损失模型来自于液压的输入与输出管路的压力差，但由于不同液压支架的所经历的沿程损失与不同程序的流量泄漏，因此，不同的液压支架所的压力损失量通过公式：得到，其中为沿程损失造成的压力损失分量；为流量泄漏造成的压力损失分量，针对不同的综采工作面，这两个分量应该分别进行相应的实验，以经验值进行赋值。
所述的主控制器建立了压力损失模型后，只要接收到来自于液压支架远程监控上位机以及液压支架本地支架操作器的控制命令，根据不同的命令类型，选择不同的液压缸压力损失模型，进而指导压力损失评测模块进行压力损失评测，将评测结果递交给泵站流量预估模块。
由泵站流量预估模块计算的变频调节量，将传送给变频器进行变频处理，进而使交流电机以不同功率对定量液压泵进行流量给出，从而达到调节不同液压缸所需要的液压动力。
Claims (5)
1.一种无传感液压支架电液控制系统，其特征在于：它包括相互连接的液压支架电液控制系统、变频调压装置和液压支架远程监控上位机；
所述的液压支架电液控制系统包括通讯总线、设置在综采工作面中每个液压支架上的支架操作器和姿态监测器，所述的支架操作器为采集用户本地输入控制命令的装置，支架操作器和姿态监测器通过通讯总线互相连接并分别与变频调压装置以及液压支架远程监控上位机相连接；
变频调压装置包括相互连接的主控制器和变频液压泵站；
所述主控制器包括液压支架控制模块、压力损失评测模块、泵站压力预估模块以及通信控制模块，其中通信控制模块的输入端分别与液压支架电液控制系统的通讯总线和液压支架远程监控上位机的输出端相连接，通信控制模块的输出端分别与液压支架控制模块和压力损失评测模块的输入端相连接，液压支架控制模块和压力损失评测模块之间相互连接方便数据交流，压力损失评测模块的输出端与泵站压力预估模块的输入端相连接，泵站压力预估模块的输出端与变频液压泵站相连接；
所述变频液压泵站包括相互连接的交流电机和液压泵，所述交流电机上设有变频器，所述主控制器的泵站压力预估模块的输出端与变频器的输入端相连接，泵站压力预估模块为变频调压提供调节依据，将根据压力损失评测模块提供的基础数据，设置变频液压泵站的调节量；
所述液压支架远程监控上位机通过与主控制器内的通信控制模块将地面操作人员的远程控制命令送到主控制器的液压支架控制模块，从而控制本地液压支架进行相应的动作；同时，本地液压支架的姿态监控器实时的通过通讯总线将监测数据传输至地面液压支架远程监控上位机，为后续系统的压力损失评测提供监测数据。
2.根据权利要求1所述的无传感液压支架电液控制系统，其特征在于：所述液压支架控制模块为嵌入式工控处理器STM32，所述压力损失评测模块为DSP数据处理模块、泵站压力预估模块为DSP数据处理模块，通信控制模块为CAN/EtherCAT通信收发模块。
3.一种使用权利要求1所述无传感液压支架电液控制系统的无传感液压支架电液控制方法，其特征在于步骤如下：
a. 在综采工作面的液压支架上设置姿态监测器，姿态监测器实时采集液压支架姿态信息，并通过通讯总线将所采集到的液压支架姿态信息发送到液压支架远程监控上位机和变频调压装置中；
b. 液压支架远程监控上位机将接收到的各个液压支架姿态传感信息进行分析，从而得到各个液压支架中液压缸的动作加速度和倾斜度所构成的影响值，再通过动作加速度和倾斜度所构成的影响值与预设值比较评判出各个液压缸在推溜中动作的平稳性，平稳性差的动作,当液压支架远程监控上位机检测到液压支架的动作加速度和倾斜度超过预设警戒值时，则判断液压支架平稳性差并出现抖动，液压支架远程监控上位机参考预设的正常液压支架压力参数向变频调压装置发送对出现抖动现象的液压支架进行供液补压命令，改善液压支架的压力值；
c. 综采工作面施工人员通过控制液压支架推移或升柱，通过支架操作器对液压支架发出工作指令，同时支架操作器将控制指令沿通讯总线通过通信控制模块发送到压力损失评测模块；
d. 通信控制模块接收液压支架远程监控上位机发送的影响值、预设的液压支架控制模块固有参数：包括液压支架数量和液压支架的液压缸规格数据，并将接收到的数据信息发送给主控制器的压力损失评测模块，由于综采面上各个液压支架的压力损失状况不一，因此压力损失评测模块根据所接收到液压支架远程监控上位机的控制命令以及支架操作器发送的液压支架工作指令，分别针对相应的各个液压支架推移动作或升柱动作使用不同的预设失效评测准则来进行评测，通过评测得到发送工作指令相应的液压支架压力损失量信息，压力损失评测模块将通过评测得到的液压支架编号和液压支架压力损失量信息发送给泵站压力预估模块；
e. 泵站压力预估模块根据接收来自于压力损失评测模块发送的液压支架压力损失量信息，确定变频液压泵站压力的补偿量，变频液压泵站根据损失量通过液压管路向指定编号的液压支架补充液压油；
f. 重复上述步骤依次对综采工作面上液压支架的油压进行实时的调节，从而达到在液压支架无传感的条件下进行控制。
4.根据权利要求3所述的无传感液压支架电液控制方法，其特征在于：所述变频液压泵站可以手动控制对工作面上任意液压支柱进行补液操作。
5.根据权利要求3所述的无传感液压支架电液控制方法，其特征在于：所述液压支架远程监控上位机上设有控制面板，并通过控制面板直接操作变频液压泵站对工作面上任意液压支柱进行补液操作。
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