CN108415278B - 井下综采工作面分布式决策控制系统及其架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下综采工作面分布式决策控制系统及其架构。针对煤矿井下综采工作面各个设备之间不关联、安全高效协同运行难度大的问题，改变目前的集中控制方式，每个工作面设备都安设标准、接口、格式统一的控制器和编解码模块，将来自不同厂商的设备连接起来，各个设备可根据自身及相邻设备的状态、空间位置信息对即将运行的动作做出决策；运行于中央主控制器的分布式控制系统负责分析、挖掘和处理设备之间的配合信息，实现所有系统设备的协同运行，有效提升系统控制的实时性、准确性和协调统一性。同时，分布式控制系统留出应用程序扩展接口，为开发上层数据挖掘软件、控制软件提供基础平台，是对当前工作面生产控制系统的根本性改变。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下综采工作面分布式决策控制系统及其架构，主要针对目前煤矿井下综采工作面各个设备之间不关联、安全高效协同运行难度大的问题，提出能统一控制所有综采工作面设备的分布式决策控制系统。
背景技术
井下综采工作面主要设备包括液压支架、采煤机、刮板输送机、泵站及供电系统。当前，各个设备及其控制系统均来自于不同的生产厂商，遵从着不同的标准、数据格式、传输协议等，没有一个系统能够统一控制工作面所有设备。然而，在煤炭开采过程中，这些设备又必须紧密、准确、快速的配合，才能完成整套采煤工序。目前，由于衔接不畅、信息交换困难，各个设备之间大量、频繁的配合控制只能通过人工的方式完成，设备动作控制的实时性、准确性、协调统一性都无法保证。这对于越来越庞大的工作面生产系统来说是致命的，不但生产效率受到影响，而且极易发生误操作导致设备损坏和安全生产事故。
现有的井下综采工作面集控系统虽然与各个设备单机控制系统相连，但只是将各个设备的信息汇集到一起，没有进一步的数据挖掘和应用，也就无从谈起智能决策和协同控制。造成这一问题的主要原因是集控系统提供商与其他设备提供商不是同一厂家，每个设备本身不对其他厂商开放接口而受外部控制。专利201510816395.7从硬件结构及连接方式上提出一种综采工作面液压支架计算机分布式监控系统，并没有涉及采煤机、刮板输送机等设备与液压支架之间的连接及控制方式。专利201220600668.6提出了一种总线分布式煤矿安全生产监控系统，主要是从信息采集角度建立整个煤矿的监测系统，并未涉及设备之间协调控制。
发明内容
本发明提出的基于分布式决策的工作面控制系统及其架构，改变了目前的集中控制方式，利用分布式系统“分散控制、集中管理”的思想解决工作面设备间协同控制难题。
为实现上述目的，本发明方法采用如下技术方案。
首先，为每个工作面设备都安设标准、接口、格式统一的控制器和编解码模块，包括采煤机控制器及编解码模块，液压支架集控器及编解码模块，刮板输送机控制器及编解码模块，泵站控制器及编解码模块、供电系统控制器及编解码模块、中央主控制器和接口扩展模块。其中，控制器负责完成智能决策、控制设备自身动作，编解码器负责设备间接口通信，完成数据采集信号和控制信号传输。
随后，运行分布式决策控制软件的中央主控制器与每一台设备相连，将各个设备置于统一的网络连接、数据库存储之下，基于井下工业以太网建立数据链路层、协议层和应用层的整体架构，实现工作面所有设备的全流程协同管控，包括显示、监控和管理通信网络上各工作站的运行情况，进行离线组态、管理系统协议，优化控制目标，完成全系统数据分析决策和分布式协调控制；中央主控制器向其他控制器发送相关设备的状态信息及操作策略，收到信息的控制器根据设备当前情况自行决策，得出下一步采取的最优控制措施。
上述的井下综采工作面分布式决策控制系统内的设备（采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和供电系统）控制器作为独立控制节点，通过相互通信获取周边相关设备信息并完成自身控制；各个设备控制器之间地位平等，不存在主从控制关系。
上述的井下综采工作面分布式决策控制软件具有数据链路层、协议层和应用层的三层架构，分别对应系统信号传输、接口通信、分析及推理决策功能；其中，协议层系统接口可兼容多种通信协议，能够与不同厂家的设备通过其编解码模块进行信息交换；应用层的分析、推理决策功能是由基于统一数据库的独立分析模块完成，且独立分析模块可根据需要不断添加。
上述井下综采工作面分布式决策控制系统的应用层实现了分布式决策控制系统的平台化，具有API（应用程序开发接口），所有对设备运行的高级控制程序均基于该API及其包含的函数库，通过调用函数库中的底层控制命令实现对不同厂商硬件的统一管理；且在应用层可方便的开发各种数据分析和挖掘软件，为控制工作面生产提供工具。
本发明的优点和效益。
（1）井下综采工作面分布式决策控制系统将来自不同厂商的底层硬件连接起来，统一通信标准、数据格式、传输协议，使各个设备之间实现实时、快速、准确协同运行成为可能；改变了目前综采工作面设备间衔接不畅、信息交换困难、无法实现智能协同控制的难题。
（2）井下综采工作面分布式决策控制系统中，各个设备可根据自身当前的状态、空间位置信息对即将运行的动作做出决策；系统层面只负责综合分析、挖掘和处理设备之间的配合信息。当系统需要某个设备执行某一功能，则发送系统级信息给该设备，至于该设备具体如何实现功能是设备本身控制问题，不在系统级的控制信息中。这种架构可使设备控制专注于如何实现精准运行、系统控制专注于如何实现高效协同，有效提升系统控制的实时性、准确性和协调统一性。
（3）井下综采工作面分布式决策控制系统为上层的控制软件提供基础平台，是对当前工作面生产控制系统的根本性改变。分布式控制系统基于大数据技术，将所有设备的信息集中写入统一数据库中，并留出统一接口供其他软件调用。其他厂商可以在该系统基础上，开发各种数据分析和挖掘软件，为更加方便的控制工作面生产提供工具。
下面以普通中厚煤层综采工作面控制系统的设计开发为例对本发明所阐述的系统和架构做进一步的说明，以使公众对发明内容有更为详细和充分的了解，而并非对本发明保护范围的限定。前述部分依据充分公开了本发明可以实施的保护范围。因此，凡依照本发明公开内容进行的任何本领域公知的等同替换，均属对本发明的侵犯。
附图说明
图1为本发明方法所阐述的井下综采工作面分布式决策控制系统架构。
图2为采用本发明方法建立的井下综采工作面分布式决策控制系统连接方法。
具体实施方式
依据图1所示的井下综采工作面分布式决策控制系统架构，数据链路层的硬件结构包括：采煤机控制器及编解码模块，液压支架集控器及编解码模块，刮板输送机控制器及编解码模块，泵站控制器及编解码模块、供电系统控制器及编解码模块，实现设备最底层的物理连接。
系统协议层定义物理连接的设备网络具有统一的通讯标准、兼容的接口类型、相同的数据格式、一致的传输协议。协议层系统接口可实现多种数据兼容，能够与不同生产厂家的设备通过其编解码模块进行信息交换。
系统应用层的硬件结构包括中央主控制器和应用程序扩展接口模块，软件包括分布式决策控制软件和统一的数据库。分布式控制系统基于大数据技术，将所有系统底层的所有工作面设备的状态、运行信息集中写入数据库中，并提供统一的接口供数据分析、智能控制软件调用；同时，系统具有API（应用程序扩展接口），所有对设备运行的高级控制程序均基于该API及其包含的函数库。此种架构实现了分布式决策控制系统的平台化（类似于手机的操作系统），为实现某一控制功能，可通过开发专门的控制模块（类似于APP）来实现，例如液压支架状态数据分析模块、采煤机运动控制模块、刮板输送机与采煤机协调控制模块等。这些开发的控制模块可通过数据库接口访问数据，通过API调用函数库中的底层控制命令实现对不同厂商硬件的统一管理。同时，此种架构更有利于实现系统的智能化，分析、推理决策功能均可由独立的分析模块完成，且这些模块可根据需要不断添加、完善。
依据图2所示的井下综采工作面分布式决策控制系统连接方式，系统内的采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站和供电系统之间都可实现相互通信，供电系统负责所有设备的电力供应，泵站系统负责液压支架的动力供应。设备自身动作由每个设备的控制器控制，各个设备之间地位平等，不存在主从控制关系；设备间的协调控制由中央主控制器运行的分布式决策控制系统实现。中央主控制器通过井下工业以太网与每一台设备相连，将各个设备置于统一的网络连接之下，基于图1所建立的数据链路层、协议层和应用层整体架构，实现工作面所有设备的全流程协同管控。
井下综采工作面分布式决策控制系统利用分布式系统“分散控制、集中管理”的思想管控工作面的所有设备，为统一连接不同厂商的底层硬件提供了可能，同时也为上层的控制软件提供基础平台，是对当前工作面生产控制系统的根本性改变。
Claims (3)
1.井下综采工作面分布式决策控制系统，其特征在于，包括：数据链路层、系统协议层和系统应用层，分别对应系统信号传输、接口通信、分析及推理决策功能；其中，
数据链路层的硬件结构包括：采煤机控制器及编解码模块，液压支架控制器及编解码模块，刮板输送机控制器及编解码模块，泵站控制器及编解码模块、供电系统控制器及编解码模块，实现设备最底层的物理连接；
系统协议层，用于定义物理连接的设备网络具有统一的通讯标准、兼容的接口类型、相同的数据格式、一致的传输协议；系统协议层兼容多种通信协议，能够与不同厂家的设备通过其编解码模块进行信息交换；
系统应用层的硬件结构包括中央主控制器和应用程序扩展接口模块，软件包括分布式决策控制软件和统一的数据库；分布式决策控制软件运行于中央主控制器，基于大数据技术，将所有系统底层的所有工作面设备的状态、运行信息集中写入数据库中，并提供统一的接口供数据分析、智能控制软件调用，实现了分布式决策控制系统的平台化，对设备运行的液压支架状态数据分析模块、采煤机运动控制模块、刮板输送机与采煤机协调控制模块，基于分布式决策控制系统的平台，通过数据库接口访问数据，通过API调用函数库中的底层控制命令实现对不同厂商硬件的统一管理；系统应用层的分析、推理决策功能由基于统一数据库的独立分析模块完成，且独立分析模块可根据需要不断添加；
系统基于井下工业以太网建立数据链路层、协议层和应用层的整体架构，连接上述设备，完成数据采集信号和控制信号传输、接口通信、数据分析决策和分布式协调控制。
2.根据权利要求1所述的井下综采工作面分布式决策控制系统，其特征在于：采煤机控制器、液压支架控制器、刮板输送机控制器、泵站控制器和供电系统控制器作为独立控制节点，通过相互通信获取周边相关设备信息并完成自身控制；各个设备控制器之间地位平等，不存在主从控制关系。
3.根据权利要求1所述的井下综采工作面分布式决策控制系统，其特征在于：分布式决策控制软件，实现工作面所有设备的全流程协同管控，包括显示、监控和管理通信网络上各工作站的运行情况，进行离线组态、管理系统协议，优化控制目标，完成全系统综合决策控制；中央主控制器向其他设备控制器发送相关设备的状态信息及操作策略，收到信息的控制器根据设备当前情况自行决策，得出下一步采取的最优控制措施。
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