CN108490897A - 一种综采工作面的自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Ethernet/IP工业以太网协议，以IPC(工控计算机)为智能控制中心、PAC(可编程自动化控制器)为控制主站、嵌入式网络控制器为分站的综采工作面全自动化控制系统。智能控制中心实现对控制主站的参数优化，调节工作面采运支的运行速度和智能控制；控制主站具有实时性强和可靠性高的特点，用于实现全工作面的设备自动化控制；嵌入式网络控制器分别实现乳化泵、喷雾泵、过滤站、运输三机等控制，统一接受控制主站调度。

Description

一种综采工作面的自动控制系统

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，特别涉及一种煤炭开采综采工作面的自动化控制系统。

背景技术

综采工作面采煤装备主要包括采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站、顺槽皮带输送机等装备。目前综采工作面在煤从煤壁落下到运送出工作面的整个过程中，煤依次经由采煤机、刮板运输机、转载机、破碎机和皮带设备，综采设备在实际运行中要实现无人值守的自动化开采，对上述设备的控制并非是简单的启停控制，必须实现自动连锁控制。英国在上世纪八十年代就诞生了无或少人值守工作面，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。在集控平台控制下的多装备统一协调的智能化集控制模式，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的集中控制平台，探索综采工作面群控系统的集中协同智能化控制规律，提出适用于综采工作面采煤装备的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。

传统的综采工作面控制系统包括采煤机子系统、电液控子系统、泵站子系统、三机子系统、工作面通讯子系统、供电子系统等，而集控系统是建立在各个子系统之上，通过通讯等方式实现整个工作面设备的集中控制或远程控制。

传统的综采工作面控制系统在一定程度上，体现了分层设计的架构，各个子系统保持完全的独立性。但是，在实际生产运行过程中，这种模式也存在一些缺点，如：子系统之间的通讯接口和协议标准不一致；控制系统多、层级复杂、实时性很难保证；设备种类多，维护工作量大等。

例如中国专利申请CN201510527484.X公开了一种煤矿综采工作面大型装备集中控制平台，其实现方式是利用控制层高速工控机对大型装备各子系统传送的信息进行分析判断，若判断大型装备各子系统装备状态正常，则根据采煤机位置进行相应的控制，该发明的系统是在各子系统的只能控制系统的基础上增加了高速工控机，各子系统之间的通信接口和协议标准均不一致，层级复杂。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于Ethernet/IP工业以太网协议，以IPC(工控计算机)为智能控制中心、PAC(可编程自动化控制器)为控制主站、嵌入式网络控制器为分站的综采工作面全自动化控制系统。智能控制中心实现对控制主站的参数优化，调节工作面采运支的运行速度和智能控制；控制主站具有实时性强和可靠性高的特点，用于实现全工作面的设备自动化控制；嵌入式网络控制器分别实现乳化泵、喷雾泵、过滤站、运输三机等控制，统一接受控制主站调度。

第一方面，本发明提供一种综采工作面自动控制系统，包括：

智能控制中心、控制主站和嵌入式网络控制器；

其中，所述智能控制中心以全工作面自动化参数调整、优化为主要任务，不参与实时控制；

所述控制主站包括可编程自动化控制器，负责进行全工作面自动化控制，采用实时操作系统，控制对象包括采煤机、支架、运输机三机和泵站；

所述嵌入式网络控制器负责进行前端传感数据采集，简单任务控制，报警及故障处理。

优选的，本发明的自动控制系统具有扁平化特征，所述嵌入式网络控制器、可编程自动化控制器、智能控制中心全部位于同一个工业以太网，基于Ethernet/IP协议建立综采工作面统一的CIP对象模型，相互之间可以直接互联互通，数据共享。

此外，本发明的自动控制系统具有冗余特征，所述可编程自动化控制器具有支架全工作面跟机、采煤机记忆割煤、泵站按需供液等自动化功能，此时所述嵌入式控制器仅为执行机构；当可编程自动化控制器失效的情况时，嵌入式控制器将自动切换为就地或子系统控制模式，实现各子系统(如泵站子系统、运输三机子系统、支架子系统、采煤机子系统等)的独立控制。

本发明的自动控制系统还具有集中化特征，将传统的综采工作面集成控制改成一体化的集中控制，实现了综采关键设备的统一协调，全自动化控制。

优选的，所述的可编程自动化控制器采用AB公司的RSLogic控制器实现，为了保证一体化集中控制系统的高可靠性，采用了冗余设计，当单个控制器故障时，从控制器将自动切换为主控制器。

优选的，所述的嵌入式网络控制器具备丰富的IO接口及通讯接口，同时通过驱动器进一步扩展，满足工作面各类装置的采集和控制需求。

由上述技术方案可知，本发明的面向综采全工作面自动化的控制系统，与传统的集控系统相比，是一种煤矿全工作面自动化开采的全新控制系统架构。它通过智能控制中心、一体化控制主站、分布式网络控制分站构建了扁平化、冗余化、集中化的控制系统；它采用高可靠、高实时的可编程自动化控制器，实现全工作面设备的自动化控制；它采用分布式网络控制器简化了工作面的数据采集及控制，实现了分站的标准化；它采用的Ethernet/IP通讯协议标准实现了控制中心、控制主站、控制分站之间的互通互联。整个系统结构简单，设备种类少，有效的降低了综采工作面控制系统的复杂性。

附图说明

图1为本公开一实施例提供的一种综采工作面自动控制系统示意图；

图2为本公开一实施例提供的一种综采工作面自动控制系统的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

以下对本公开实施例中提及的部分词语进行举例说明。

本公开实施例中提及的工控计算机(Industrial Personal Computer，简称IPC)是指是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。工控行业的产品和技术非常特殊，属于中间产品，是为其他各行业提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。可编程自动化控制器(Programmable Automation Controller，PAC)是将可编程控制器(PLC)可靠、坚固、易于使用等特性与工业电脑(IPC)强大的计算能力、通信处理、广泛的第三方软件最佳地结合在一起的多功能工业用自动化控制器。PAC提供了开放的工业标准，扩展的域功能，通用的开发平台。CIP指通用工业协议，是一种为工业应用开发的应用层协议，被deviceNet、ControINet、EtherNet/IP三种网络所采用，因此这三种网络相应地统称为CIP网络。CIP对象模型主要实现CIP网络中的两个功能，一是给出工业应用对象的标准定义，二是实现通信。

图1为本发明一实施例提供的一种综采工作面自动控制系统的示意图；

如图1所示，本实施例的一种综采工作面的自动控制系统，包括：

智能控制中心、控制主站和嵌入式网络控制器；

智能控制中心、控制主站和嵌入式网络控制器直接通过工业以太网进行通信；

其中，所述智能控制中心以全工作面自动化参数调整、优化为主要任务，不参与实时控制；

所述控制主站包括可编程自动化控制器，负责进行全工作面自动化控制，采用实时操作系统，控制对象包括采煤机、支架、运输机三机和泵站等；

所述嵌入式网络控制器负责进行前端传感数据采集，简单任务控制，报警及故障处理。

如图1所示，智能控制中心通过工控计算机(IPC)实现，对于不同的控制场景，IPC根据系统组成、各传感器数据，对控制参数进行调整和优化。智能控制中心并不参与各子系统或PAC的实时控制，而是通过调整或优化相应参数对PAC的实时控制进行调整，例如采煤机前进速度，刮板机速度，综采工作面整体运行情况等，以及根据工作面煤层的地质情况、顶底板高度规划采煤机运行轨迹、调高等。总的来说，智能控制中心对综采工作面各装备的运行进行整体的规划调度，生成开采计划以及调整开采计划的各参数，并且将生成的开采计划通过工业以太网传输给各控制主站，本身并不参与综采工作面各装置和系统的实时控制。

本实施例中控制主站采用可编程自动化控制器(PAC)实现，可编程自动化控制器负责进行全工作面自动化控制，具备较强的实时性和可靠性，控制对象包括采煤机、支架、运输机三机及泵站等。典型的，可编程自动化控制器采用AB公司的RSLogic控制器实现，也可以使用其他公司其他型号的PAC实现本发明中的控制主站。

控制主站和智能控制中心、控制主站和嵌入式网络控制器之间以及多个控制主站之间均通过工业以太网相连，每个控制主站用于实现综采工作面中一个装备或者一个子系统的实时控制，例如，对于采煤机，可以使用一个控制主站进行控制，该控制主站通过工业以太网和采煤机上安装的多个嵌入式网络控制器相连，通过多个嵌入式网络控制器获取采煤机的参数和传感器的数据，并且根据这些数据生成控制指令，发送给多个嵌入式网络控制器，通过嵌入式网络控制器实现对采煤机的监控和实时控制。

又例如，对于综采工作面的液压支架，通过液压支架的控制主站进行控制，多个液压支架上分别安装有嵌入式网络控制器，液压支架控制主站通过将控制指令发送给液压支架上的嵌入式网络控制器，实现对于液压支架的调直、跟机等操作和实时控制。此外，液压支架控制主站通过工业以太网和采煤机控制主站、液压泵站控制主站相连，通过多个控制主站之间的协同控制完成更复杂的实时控制操作。

嵌入式网络控制器一般直接对综采工作面的各装置或设备进行控制，通过工业以太网接受控制主站的控制，以协同完成煤炭开采的各项工作。嵌入式网络控制器一般也称为分布式网络控制器，其具有多种IO接口及通讯接口，同时可以通过驱动器进一步扩展，满足工作面各类装置的采集和控制需求。

应当注意的是，在本公开的系统的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本公开不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。

本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上实施方式仅适于说明本公开，而并非对本公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开的范畴，本公开的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种综采工作面的自动控制系统，其特征在于，包括：

智能控制中心、控制主站和嵌入式网络控制器；

其中，所述智能控制中心、所述控制主站和所述嵌入式网络控制器之间通过工业以太网进行通信；

所述智能控制中心不参与实时控制；

所述控制主站包括可编程自动化控制器(PAC)，所述可编程自动化控制器的操作系统采用实时操作系统，对所述工作面进行实时自动化控制；

所述嵌入式网络控制器进行前端传感数据采集，执行控制、报警及故障处理任务。

2.根据权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于，所述嵌入式网络控制器、可编程自动化控制器、智能控制中心全部位于同一个工业以太网，基于Ethernet/IP协议建立综采工作面统一的CIP对象模型。

3.根据权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于，所述控制主站包括液压支架控制主站、采煤机控制主站和泵站控制主站，分别执行液压支架全工作面跟机、采煤机记忆割煤、泵站按需供液的自动化控制功能。

4.根据权利要求1所述的自动控制系统，其特征在于，当所述控制主站失效的情况下，所述嵌入式控制器自动切换为独立控制模式。

5.根据权利要求1-4之一所述的自动控制系统，其特征在于，所述可编程自动化控制器为RSLogic型自动控制器。

6.根据权利要求5所述的自动控制系统，其特征在于，所述控制主站采用冗余设计，包括主控制器和从控制器，当主控制器故障时，从控制器自动切换为主控制器。

7.根据权利要求6所述的自动控制系统，其特征在于，所述嵌入式网络控制器包括多个IO接口和通讯接口。