CN105065050B - 一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，选用西门子PLC S7‑300、C8051F020单片机、PowerBuilder工具、SQLServer数据库和多协议通讯平台构成集控平台；以PowerBuilder工具作为前端开发平台，西门子PLC S7‑300、C8051F020单片机为实时控制平台，以此实现对煤矿井下综采工作面液压支架的集中控制。本发明所提供的控制方法具有集中控制的自动追机拉架功能；能完成基于视频的顺槽远程调整控制功能；能将各种信息实时远程传到地面监控中心；能进行采煤过程中各种故障的实时监测；实现了煤矿生产的自动化。
Description
技术领域
本发明涉及一种集中控制平台的实现方法，尤其是一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法。
技术背景
《国家中长期科技发展规划纲要》将开发“高效节能自动化开采技术、大型装备寿命预测技术、开发煤矿重大生产事故预警技术”列为优先发展主题。《山西中长期科学和技术发展规划纲要》也将开发“煤炭高效集约化开采装备与技术、煤炭生产自动化与智能化技术、煤矿安全生产装备与技术”列为了优先发展主题。由此可见，国家和山西省的科技政策要求开发煤矿智能化、自动化技术与装备。一个国家采煤生产过程自动化水平的高低，可以直接反映其工业领域在国际中的地位，可以衡量一个民族的工业实力。上世纪初叶，因为世界上能源的基本形式就是煤炭，所以国际上在采矿技术研究方面投入了较大的力量。英国在上世纪八十年代就诞生了无人或少人值守工作面，也就是说，一个采煤工作面，只需要很少几个人就能完成采、支、运、供各大环节的自动衔接，达到了高效生产的目的，大大提高了生产效率。但在集控平台控制下的多装备自动控制系统统一协调的智能化集成控制体系，在国外和国内还未有应用报道。因此建立综采工作面大型装备集中控制平台的系统模型，探索综采工作面群控系统的集中协同智能化控制规律，提出基于模型的适用于综采工作面采煤装备智能控制方法和控制策略，为实现综采工作面无人值守的自动化采煤目标提供理论和技术支持是非常必要的，也是急需的研究热点。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，提供用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，以解决煤矿井下无人值守工作面工作面液压支架的集中控制问题。
为实现上述目的，本发明选用了西门子PLC S7-300、C8051F020单片机、PowerBuilder工具、SQLServer数据库和多协议通讯平台（包括串口MODBUS协议、TCP/IPMODBUS协议以及多种协议转换接口）等设备构成集控平台，提供一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法；以PowerBuilder工具作为前端开发平台，西门子PLC S7-300、C8051F020单片机为实时控制平台，实现煤矿井下综采工作面液压支架集中控制；PLC与电液控制系统连接，PLC与电液控制系统的通讯协议为TCP/IP MODBUS协议，PLC为客户端，电液控制系统为服务器端。
采煤机的红外发送装置安装于采煤机上，接收装置内嵌于电液控制系统的支架控制器内，采煤机移到哪个支架时，对应的支架便接收到红外信息，在电液控制系统的端头控制器巡检支架控制器时，支架控制器可将采煤机的位置信息连同其它信息即前立柱压力、后立柱压力、推移行程以及状态量（状态量包括：有无急停信号、有无闭锁信号、有无红外信号、立柱压力是否正常、推移是否到位以及各装置之间通讯是否正常）一起采集回来，再发送给电液控制系统的防爆计算机。
所述集控平台即PLC客户端通过TCP/IP通讯，将经过计算采煤机所走镏子链结数得到的采煤机位置实时发给电液控制系统的防爆计算机。
所述电液控制系统包括三层网络结构，即支架控制系统、端头集控系统和顺槽监控系统，其中顺槽监控系统在PowerBuilder前端开发平台上开发，端头集控系统和支架控制系统由C8051F020单片机开发，三层网络结构采用MODBUS通讯协议连接。顺槽监控系统用PowerBuilder外部事物OLE引用Winsock来实现基于TCP/IP协议的网络通讯，在通讯过程中，有ocx_error事件脚本，监视通讯的故障，一旦有断开的故障，立即重连，保证数据通讯的稳定可靠：
ole_2.object.close()
ole_2.object.protocol=0 //winsock通讯协议设为TCP协议
ole_2.object.localport=502 //本机的winsock通讯端口号
ole_2.object.listen()
ss=0
sle_1.text="TCPIP通讯错误，已重新连接!" ；
其通过自然语言，可表述为：
首先要关闭外部事物OLE进行初始化，然后设置Winsock通讯协议为TCP协议，并设置本机的winsock通讯端口号为502，最后等待监听，同时在屏幕的上方给出提示“TCPIP通讯错误，已重新连接！”。
本发明所提供的一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，具体内容如下：
（1）综采工作面开始采煤时，采煤机位于工作面的一端，将此时的采煤机位置设为零，即初始位置，在确认准备工作完成后，PLC要开始启动采煤机，首先将要启动的命令发给电液控制系统，得到电液控制系统准备完毕的响应后，PLC就将采煤机的位置信号、工艺段信号发给电液控制系统，同时启动采煤机。PLC与电液控制系统的通讯协议为TCP/IPMODBUS协议，PLC为客户端，电液控制系统为服务器端。
（2）工作中，电液控制系统以采煤机的红外位置信号和采煤机编码器位置检测信号为依据，发出集中控制命令，使相关液压支架自动跟踪采煤机实施相应的动作，根据煤矿的生产工艺要求，本系统跟踪采煤机进行动作的支架为采煤机在位的支架、采煤机前14个支架以及采煤机后15个支架共30个支架。
（3）电液控制系统中顺槽监控系统的防爆计算机将来自上述两个方面的采煤机的位置信息进行比对，若两者相同则发送正常信息，集控平台继续实施下一步的控制；若出现偏差，则发送报警信息，使集控平台停止下达集控命令。
（4）PLC客户端每隔0.5s向电液控制系统发送目前进行的工艺段号和采煤机编码器位置检测信号，电液控制系统在接到后回应采煤机在位的支架、采煤机前14个支架以及采煤机后15个支架共30个支架的前立柱压力、后立柱压力、推移行程以及状态量，状态量中包含着液压支架、支架控制器、端头控制器和通讯正常、故障的信息，以供集控平台做出是否能继续进行集中控制的判断。
（5）电液控制系统根据集控平台发送的工艺段号和采煤机位置控制液压支架的动作时，要随时判断动作涉及的物理量是否达到极限参数（如立柱压力）、是否超过了给定的动作极限时间仍不能到位（如推移行程）、控制信息和返回信息是否形成闭环、通讯是否畅通等进行判断，以便在第一时间停止对应动作，防止发生事故。
（6）集控平台向电液控制系统除发送工艺段号和采煤机位置的写请求，还会向电液控制系统发送实时采集电液控制系统信号的读请求，电液控制系统中顺槽监控系统的防爆计算机在得到集控平台的请求后，首先要判断请求类型，然后执行相应的流程，过程见图2。
（7）电液控制系统在接到集控平台的读请求后，电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机以TCP/IP MODBUS协议的形式将读请求中的数据发给集控平台，即首先发接收回的前5个数，其次发（客户端要的数）*2+3，第三发接收回的第7、8个数，即设备地址和功能码，第四发（客户端要的数）*2，第五发数据存放的首地址，接着依次发数据量，最后发校验码。
（8）集控平台收到数据后，要进行分析判断，有故障时及时停止采煤机运行，同时报警。
所述电液控制系统在接到集控平台的控制命令后，一种途径是由电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机将信息分解发送给端头集控系统，再由端头集控系统的端头控制器再下发给支架控制系统的支架控制器来实施具体的控制；另一种途径是由电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机直接将信息分解发送给支架控制系统的支架控制器来实施具体的控制。
其一，电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机将控制命令通过串口MODBUS协议发送给端头集控系统的端头控制器后，端头控制器根据采煤机红外位置信号和采煤工艺段，实现自动追机拉架，主要分巡检、判断、控制三个过程。通过实时巡检采煤机的位置信号，判断出采煤机在工作面的行进方向，根据采煤工艺流程，向采煤机运行周围的支架控制器发送命令，控制相应液压支架进行追机拉架动作。每个相关支架的动作流程为降架、收伸缩梁、提底、拉架、升架，而且这几个动作的先后顺序不能变，降架动作执行完之后才可以提底，否则容易碰到顶板，损坏液压支架。拉架动作必须伴随着提底动作，拉完架之后才可以进行升架动作；所有相关支架能实现自动追机推镏功能，集中控制推镏过程包括中间段推镏、弯曲段推镏和割三角煤推镏。
其二，电液控制顺槽监控系统的防爆计算机直接巡检、判断，并根据采煤机红外位置信号和采煤工艺段，通过实时巡检到采煤机的位置信号，判断出采煤机在工作面的行进方向，根据采煤工艺流程，将控制命令通过串口MODBUS协议发送给采煤机运行周围的应该动作的支架控制器，控制相应液压支架进行追机拉架动作。每个相关支架的动作流程同上。
本发明的有益效果是：具有高度自动化，可满足无人或少人值守工作面要求的控制功能；能可靠完成基于邻架操作的各种控制功能；具有集中控制的自动追机拉架功能；能完成基于视频的顺槽远程调整控制功能；能将各种信息实时远程传到地面监控中心；能进行采煤过程中各种故障的实时监测；实现了煤矿生产的自动化，填补国内无人值守采煤生产的空白，打破国外对该项技术的垄断。
附图说明
图1是本发明液压支架电液控制系统响应集控平台控制命令流程图。
具体实施方式
下面结合附图用具体实施方式进一步详细描述本发明的实现方法，本领域的技术人员在阅读了本具体实施方式后，利用现有的液压支架防爆计算机、端头控制器、支架控制器，结合西门子PLC S7-300、C8051F020单片机、PowerBuilder工具、SQLServer数据库和多协议通讯平台实现本发明所述的煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的控制方法，同时也能够实现本发明所述的积极效果。
本发明方法是采用PowerBuilder工具作为前端开发平台，西门子PLC S7-300、C8051F020单片机为实时控制平台，实现煤矿井下综采工作面液压支架集中控制。如图1所示为液压支架电液控制系统相应集控平台控制命令的流程图，实际应用中，其具体的实现方法如下所述。
）集控平台的TCP/IP远程控制功能的实现
集控平台通过TCP/IP协议向电液控制系统的集控计算机发送工艺段号和采煤机位置，并实时采集电液控制系统的运行数据。集控平台为客户端，电液控制系统为服务器端，在用PowerBuilder前端平台开发的电液控制系统控制界面的open事件中要设置甲方（作为服务器端）winsock通讯协议，并设置在等待呼叫的状态。在外部事物winsock控件中编制错误事件、数据到达事件、接收对方连接请求事件和发送完成事件等程序。电液控制系统接到集控平台的数据后要将启动、工艺段等命令分解出来发给相应的被控系统实现对应的动作，同时电液控制系统将运行数据返给平台主机，由集控平台判错误标志，做到有故障实时发出停止电液控制系统的运行并报警。
）集控参数远程设置
（1）远程参数设置和查询是在集控平台对工作面液压支架运行时的工作参数和极限参数进行设置，一方面为各系统实时监测界面提供显示需要的工作参数，另一方面通过通讯网络传送给电液控制系统，再由电液控制系统的端头控制器传送给支架控制器，作为支架控制器工作时的控制依据和约束参数。
设置的参数包括工作面电液支架数量、立柱最大压力、立柱到位压力、推镏最大行程、成组推镏数量、推镏最长时间、升柱最长时间、降柱最长时间、拉架最长时间、伸护帮最长时间、收护帮最长时间、伸伸缩梁最长时间、收伸缩梁最长时间等参数进行远程设置。设置的参数首先是传到端头控制器，由端头控制器再传给工作面每一个支架控制器。
（2）实现的界面题目为“控制数据传送系统”，共有两个部分，一部分为“传送参数输入区”，另一部分为“操作命令键入区”，两个区域分别用组合框（groupbox）控件框起来。本功能实现的是传送参数。
将要设置的参数列出来，将左边写上参数名，右边放一单行编辑控件，以便输入参数值，有几个参数就均匀地排列几行，全部输完后，点击“发送”按钮，即实现发送参数的功能。
）远程控制
此模块主要是集控平台对液压支架的远程控制。
（1）远程控制功能是实现在集控平台上通过点击模拟软键盘向工作面某一支架发送动作控制命令的功能。
在集控平台上可以实现远程控制液压支架的14组动作，即升前柱、升后柱、降前柱、降后柱、单架推镏、提底、拉架、伸侧护、收侧护、伸护帮、收护帮、喷雾、伸伸缩梁、收收缩梁，控制命令先发给端头控制器，端头控制器再发给支架控制器，发送完命令后，开始等待接收端头控制器的返回信息，若在规定的时间内接不到返回信息，则显示发送失败信息。
（2）实现的界面题目为“集控平台控制数据传送系统”，共有两个部分，一部分为“传送参数输入区”，另一部分为“操作命令键入区”，两个区域分别用groupbox框起来。本功能实现的是传送操作命令。
将控制动作的图标按控制器的键盘排列，同时设置两个下拉列表控件（dropdownlistbox），在窗口的open事件中将两个下拉列表控件中列上从1到工作面支架总数的所有数值。一个下拉列表控件用来选择动作支架的编号，另一个用来选择上次动作支架的编号，选好要动作的支架和动作的种类后，点击“发送”按钮，即实现发送动作的功能。
）工作面支架运行状态远程巡检
（1）为了实时监控井下工作面的运行状态，集控平台定时访问端头控制器，获取每一支架和支架控制器本身的运行参数和工作状态。
集控平台每隔1s向电液控制系统的端头控制器发出参数巡检命令，之后等待端头控制器发回的数据信息，与端头控制器之间的通讯采用CRC校验，若在规定的时间内接不到返回信息，或接到的返回信息不正确，则显示数据接收失败信息。
（2）此功能是在“工作面液压支架工作状态远程实时远程监控功能”的界面中实现的。
）工作面液压支架工作状态远程实时远程监控功能
（1）设计符合井下实际运行工况的模拟监控界面，以图形、曲线等形式生动形象地显示井下工作面生产状况。包括工作面支架数量、支架立柱压力、推移行程、采煤机位置、急停、闭锁等，并且随着鼠标的移动，能快速显示鼠标处支架的各种物理量。集控计算机每隔1s从端头控制器接收单个液压支架的信息，包括支架号、前立柱压力、后立柱压力、推镏位移和标志位，标志位中每一位代表不同的信息，如急停、闭锁、采煤机位置、架间通讯状态和故障信息等。
（2）此界面的open事件中首先要完成三行支架的摆放，每一行有200个Richtextedit控件，每一个代表一个支架，然后根据实际的支架数将这些控件均匀地放置在显示屏上；其次要启动定时器（1s），每次定时到都要在定时到事件中重新启动定时器（1s），同时向端头控制器发出参数巡检命令。
三行Richtextedit控件中，第一行要表示采煤机的位置，因此在下方要有两个前后滚筒上下相反的采煤机图片，每个瞬间只有一个代表行进方向的采煤机出现，其位置显示在巡检回来的采煤机对应的支架下，另一个采煤机图片隐身。第二行要表示急停按下的支架控制器的架号，将这个Richtextedit控件变成红色表示。第三行要表示闭锁按下的支架控制器的架号，用闪烁这个Richtextedit控件来表示。
在界面下方设置曲线的数据窗口，上面有3条曲线，分别表示前立柱压力、后立柱压力和推移行程。
在界面上方设置有表示护帮伸缩的支架图片、采煤机在位的支架信息、支架概况和鼠标点击的支架信息的区域。无论何时鼠标指向任何代表支架的Richtextedit控件，则此支架的信息就会显示在信息的区域，若用鼠标单击任何代表支架的Richtextedit控件，则会弹出一个显示实时数据的窗口，会以曲线、表格和图形等形式显示此架的所有物理量，包括模拟量和状态量。
）程序远程在线升级
（1）本模块是要解决电液控制系统端头控制器和支架控制器的程序在线升级，是由集控计算机将新程序代码下载给端头控制器。
端头控制器接到要升级的程序代码后，首先通过同步头判断是本身的程序还是支架控制器的程序，若是本身的升级程序，则将接到的程序在线写到FLASH里，以实现新程序替代旧程序的升级过程；若是支架控制器的程序，则端头控制器通过总线下载给每一台支架控制器即可完成整个工作面端头控制器和支架控制器程序的在线升级。
（2）此界面首先设置转换数据按钮（commandbutton）控件，实现将编译好的程序文件（txt）转换到数据窗口中，然后分块发送，发送的数据中有写入flash的首地址、数据长、数据等信息。在发送时，先发地址帧，得到端头控制器的回应后再发数据帧，检验方式为CRC检验。
Claims (5)
1.一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，选用西门子PLCS7-300、C8051F020单片机、PowerBuilder工具、SQLServer数据库和多协议通讯平台构成集控平台；其特征在于：以PowerBuilder工具作为前端开发平台，西门子PLC S7-300、C8051F020单片机为实时控制平台；PLC与电液控制系统连接，其通讯协议为TCP/IP MODBUS协议，PLC为客户端，电液控制系统为服务器端；采煤机上安装红外发射装置，接收装置内嵌于电液控制系统的支架控制器内，支架控制器接收红外信息后将其发送给电液控制系统的防爆计算机；
所述集控平台即PLC客户端通过TCP/IP通讯，将经过计算采煤机所走镏子链结数得到的采煤机位置实时发给电液控制系统的防爆计算机；根据煤矿的生产工艺要求，本系统跟踪采煤机进行动作的支架为采煤机在位的支架、采煤机前14个支架以及采煤机后15个支架共30个支架；
具体操作方法如下：
（1）综采工作面开始采煤时，采煤机位于工作面的一端，位置设为零；在确认准备工作完成后，PLC启动采煤机，首先将要启动的命令发给电液控制系统，得到电液控制系统准备完毕的响应后，PLC就将采煤机的位置信号、工艺段信号发给电液控制系统，同时启动采煤机；
（2）电液控制系统以采煤机的红外位置信号和采煤机编码器位置检测信号为依据，发出集中控制命令，使相关液压支架自动跟踪采煤机实施相应的动作；
（3）电液控制系统中顺槽监控系统的防爆计算机将上述两个方面的采煤机的位置信息进行比对，若两者相同则发送正常信息，集控平台继续实施下一步的控制；若出现偏差，则发送报警信息，集控平台停止下达集控命令；
（4）正常启动采煤机后，PLC客户端每隔0.5s向电液控制系统发送目前进行的工艺段号和采煤机编码器位置检测信号，电液控制系统在接到后回应采煤机在位的支架、采煤机前14个支架以及采煤机后15个支架共30个支架的前立柱压力、后立柱压力、推移行程以及状态量，状态量中包含着液压支架、支架控制器、端头控制器和通讯正常、故障的信息，以供集控平台做出是否能继续进行集中控制的判断；
（5）电液控制系统根据集控平台发送的工艺段号和采煤机位置控制液压支架的动作时，要随时判断动作涉及的物理量是否达到极限参数、是否超过了给定的动作极限时间仍不能到位、控制信息和返回信息是否形成闭环、通讯是否畅通等，以便在第一时间停止对应动作，防止发生事故；
（6）集控平台向电液控制系统发送工艺段号和采煤机位置的写请求，同时发送实时采集电液控制系统信号的读请求，电液控制系统中顺槽监控系统的防爆计算机在得到集控平台的请求后，首先要判断请求类型，然后执行相应的流程；
（7）电液控制系统在接到集控平台的读请求后，电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机以TCP/IP MODBUS协议的形式将读请求中的数据发给集控平台，即首先发接收回的前5个数，其次发客户端要的数*2+3，第三发接收回的第7、8个数，即设备地址和功能码，第四发客户端要的数*2，第五发数据存放的首地址，接着依次发数据量，最后发校验码；
（8）集控平台收到数据后，要进行分析判断，有故障时及时停止采煤机运行，同时报警。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，其特征在于：所述电液控制系统利用PowerBuilder外部事物OLE引用Winsock来实现基于TCP/IP协议的网络通讯，在通讯过程中，有ocx_error事件脚本，监视通讯的故障，一旦有断开的故障，立即重连，保证数据通讯的稳定可靠，具体过程如下：
首先要关闭外部事物OLE进行初始化，然后设置Winsock通讯协议为TCP协议，并设置本机的winsock通讯端口号为502，最后等待监听，同时在屏幕的上方给出提示“TCPIP通讯错误，已重新连接！”。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，其特征在于：所述内嵌于电液控制系统的支架控制器内的红外接收装置，及时反馈采煤机的位置信息，在电液控制系统的端头控制器巡检支架控制器时，支架控制器可将采煤机的位置信息连同其它信息即前立柱压力、后立柱压力、推移行程以及状态量一起采集回来，再发送给电液控制系统的防爆计算机。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，其特征在于：所述电液控制系统在接到集控平台的控制命令后，一种途径是由电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机将信息分解发送给端头集控系统，再由端头集控系统的端头控制器再下发给支架控制系统的支架控制器来实施具体的控制；另一种途径是由电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机直接将信息分解发送给支架控制系统的支架控制器来实施具体的控制；
1）电液控制系统顺槽监控系统的防爆计算机将控制命令通过串口MODBUS协议发送给端头集控系统的端头控制器，端头控制器根据采煤机红外位置信号和采煤工艺段，实现自动追机拉架，主要分巡检、判断、控制三个过程；
通过实时巡检采煤机的位置信号，判断出采煤机在工作面的行进方向，根据采煤工艺流程，向采煤机运行周围的支架控制器发送命令，控制相应液压支架进行追机拉架动作；
每个相关支架的动作流程为降架、收伸缩梁、提底、拉架、升架，而且这几个动作的先后顺序不能变，降架动作执行完之后才可以提底，否则容易碰到顶板，损坏液压支架；
拉架动作必须伴随着提底动作，拉完架之后才可以进行升架动作；所有相关支架能实现自动追机推镏功能，集中控制推镏过程包括中间段推镏、弯曲段推镏和割三角煤推镏；
2）电液控制顺槽监控系统的防爆计算机直接巡检、判断，并根据采煤机红外位置信号和采煤工艺段，通过实时巡检到采煤机的位置信号，判断出采煤机在工作面的行进方向，根据采煤工艺流程，将控制命令通过串口MODBUS协议发送给采煤机运行周围的应该动作的支架控制器，控制相应液压支架进行追机拉架动作。
5.根据权利要求3所述的一种用于煤矿井下综采工作面液压支架集中控制平台的实现方法，其特征在于：所述状态量包括：有无急停信号、有无闭锁信号、有无红外信号、立柱压力是否正常、推移是否到位以及各装置之间通讯是否正常。
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