CN110219638A - 凿岩台车的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种凿岩台车的控制系统，其包括系统控制模块、输入控制模块和对象控制模块；系统控制模块包括控制器和人机交互端，控制器与人机交互端之间通过以太网组网；系统控制模块通过输入端口与输入控制模块连接，输入端口包括AI端口、DI端口、HMI接口和CAN总线接口；系统控制模块通过输出端口与对象控制模块连接，输出端口包括DO端口和PWM端口。控制器与人机交互端之间能够实现全双工通讯，自适应高波特率，如100M波特率的快速传输。系统控制模块具有多种I/O端口和现场总线接口，可以在不同的硬件环境下使用，兼容性能强大升级方便，解决了PLC语言不兼容、成本高、误码率高、反应速度慢等一系列问题。

Description

凿岩台车的控制系统

技术领域

本发明涉及凿岩台车的控制技术领域，尤其涉及一种凿岩台车的控制系统。

背景技术

凿岩台车也称钻孔台车，是在隧道及地下工程中采用的钻爆法施工的凿岩设备，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。工作机构主要由凿岩机、推进梁、大臂、吊篮臂、台车平台组成。凿岩台车以其转场灵活性、施工多样化、作业效率高等优点，成为隧道施工的理想设备。

但是现有的凿岩台车采用硬件或者专用的控制芯片实现PLC指令的方式进行控制系统的搭建，其具有如下的缺点：

1.对硬件高度依赖，PLC间互不兼容；兼容性差；

2.不同厂家的PLC开发语言有所不同，通用性差；

3.成本高、误码率高、反应速度慢。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种凿岩台车的控制系统，以解决现有技术中凿岩台车的PLC语言不兼容、成本高、误码率高、反应速度慢的问题。

为此，本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种凿岩台车的控制系统，包括系统控制模块、输入控制模块和对象控制模块；

所述系统控制模块包括控制器和人机交互端，所述控制器与所述人机交互端之间通过以太网组网；

所述系统控制模块通过输入端口与所述输入控制模块连接，所述输入端口包括AI端口、DI端口、HMI接口和CAN总线接口；

所述系统控制模块通过输出端口与所述对象控制模块连接，所述输出端口包括DO端口和PWM端口。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述系统控制模块包括多个所述控制器，每一所述控制器之间通过以太网并网通讯，所述控制器与所述输入控制模块、所述对象控制模块形成星形拓扑结构网络。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述输入控制模块包括操作功能输入端口，所述操作功能输入端口包括用于连接开关量输入元件的DI端口和用于连接模拟量输入元件的AI端口。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述开关量输入元件包括面板开关和功能按钮；

所述模拟量输入元件包括机械臂动作模拟量操作手柄、速度控制模拟量旋钮和模拟量传感器。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述输入控制模块包括检测信号输入端口，所述检测信号输入端口包括用于连接检测传感器的CAN总线接口。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述检测传感器包括机械臂各关节传感器、臂架伸缩位移传感器、压力传感器和发动机的编码器。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述对象控制模块包括输出控制端口，所述输出控制端口包括用于连接开关量执行元件的DO端口和用于连接比例控制元件的PWM端口。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述开关量执行元件包括开关换向阀，所述比例控制元件包括比例控制阀。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述输入控制模块包括输入扩展端口，所述对象控制模块包括输出扩展端口。

作为所述的凿岩台车的控制系统的进一步可选的方案，所述输入扩展端口包括以太网输入端口，所述输出扩展端口包括以太网输出端口和WIFI输出端口。

与现有技术相比，本发明的凿岩台车的控制系统至少具有如下有益效果：

系统控制模块包括控制器和人机交互端，控制器与人机交互端之间通过以太网组网。由此使得控制器与人机交互端之间能够实现全双工通讯，自适应高波特率，如100M波特率的快速传输。系统控制模块通过输入端口与输入控制模块连接，输入端口包括AI端口、DI端口、HMI接口和CAN总线接口。系统控制模块通过输出端口与对象控制模块连接，输出端口包括DO端口和PWM端口。由此系统控制模块具有多种I/O端口和现场总线接口，可以在不同的硬件环境下使用，兼容性能强大升级方便，解决了PLC语言不兼容、成本高、误码率高、反应速度慢等一系列问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的凿岩台车的控制系统的模块图；

图2示出了本发明实施例提供的凿岩台车的控制系统的硬件连接示意图。

主要元件符号说明：

100-控制系统；110-系统控制模块；111-控制器；111a-第一控制器；111b-第二控制器；111c-第三控制器；112-人机交互端；120-输入控制模块；121-开关量输入元件；122-模拟量输入元件；123-检测传感器；124-发动机；130-对象控制模块；131-比例控制元件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种凿岩台车的控制系统，用于对凿岩台车的工作进行控制，下文简称为“控制系统100”。控制系统100包括系统控制模块110、输入控制模块120和对象控制模块130。

系统控制模块110包括控制器111和人机交互端112，控制器111与人机交互端112之间通过以太网组网。由此使得控制器111与人机交互端112之间能够实现全双工通讯，自适应高波特率，如100M波特率的快速传输。

系统控制模块110通过输入端口与输入控制模块120连接，输入端口包括AI端口(模拟量输入端口)、DI端口(开关量输入端口)、HMI接口(人机接口)和CAN总线接口(现场总线接口)。系统控制模块110通过输出端口与对象控制模块130连接，输出端口包括DO端口(开关量输出端口)和PWM端口(脉冲宽度调制端口)。由此系统控制模块110具有多种I/O端口和现场总线接口，可以在不同的硬件环境下使用，兼容性能强大升级方便，解决了PLC因语言而不兼容问题、成本高、误码率高、反应速度慢等一系列问题。

请一并参阅图2，系统控制模块110包括硬件和软件两部分，硬件包括多个控制器111、多个人机交互端112。控制器111之间为以太网并网通讯，以使得控制器111之间能够共享信息，当通过开关量输入元件121(下文提到)或模拟量输入元件122(下文提到)向第三控制器111c输入控制信号时，以太网的共享信息能够马上使得第二控制器111b控制动作执行元件产生相应的动作。如此能够很好的判断第二控制器111b和第三控制器111c是否正常工作，起到保险的作用。当开关量输入元件121或模拟量输入元件122不能正常工作时，可以通过人机交互端112直接通过第二控制器111b控制动作执行元件使其工作。同时人机交互端112会实时显示反馈凿岩的工作参数，对于各个部件是否正常工作一目了然。当系统所接入的硬件更多时，还可以使用更多的控制器111和人机交互端112，多个控制器111和多个人机交互段采用以太网并网通讯。

人机交互端112可以为人机操作界面，用于输入和输出控制系统100的数据，实现人机的交互。本实施例中，人机交互端112为基于平板PC计算机的、多种通讯接口的高性能HMI，其既具有输出数据显示控制系统100的工作情况的作用，也作为控制指令的输入端从而对控制系统100的工作进行控制。在操作系统方面是考虑到基于平板计算机的高性能人机界面而使用Linux通用的嵌入式操作系统，然后编写逻辑控制程序，根据对所需数据的采集在控制器111内按所编辑的算法进行计算后，通过系统分配输出，到达对象控制部份，驱动执行元件从而实现预定功能。

输入控制模块120包括操作功能输入端口，操作功能输入端口包括用于连接开关量输入元件121的DI端口和用于连接模拟量输入元件122的AI端口。开关量输入元件121包括面板开关和功能按钮，模拟量输入元件122包括机械臂动作模拟量操作手柄、速度控制模拟量旋钮和模拟量传感器。

输入控制模块120包括检测信号输入端口，检测信号输入端口包括用于连接检测传感器123的CAN总线接口。检测传感器123包括机械臂各关节传感器、臂架伸缩位移传感器、压力传感器和发动机124的编码器。

对象控制模块130包括输出控制端口，输出控制端口包括用于连接开关量执行元件的DO端口和用于连接比例控制元件131的PWM端口。开关量执行元件包括开关换向阀和接触器，比例控制元件131包括比例控制阀。

本实施例中，系统控制模块110包括三个控制器111，分别为第一控制器111a、第二控制器111b和第三控制器111c。第一控制器111a通过CAN总线接口与械臂关节传感器、臂架伸缩位移传感器、压力传感器连接，通过CAN总线接口与发动机的编码器连接，第一控制器111a通过各个检测传感器123采集凿岩台车的凿岩机械臂的工作状态，也就是凿岩机械臂的姿态和发动机的工作状态，以实现对工作姿态的精准控制。

第二控制器111b通过PWM端口与比例控制元件131，如比例控制阀连接，通过输出比例控制信号控制比例控制阀工作，比例控制阀包括多路阀、比例流量控制阀，第二控制器111b通过输出比例控制电流从而实现对比例控制阀的比例控制，比例控制阀用于控制凿岩机械臂的工作。通过第一控制器111a所连接的检测传感器123向第一控制器111a所反馈的检测信号，能够多比例控制元件131形成闭环控制，当出现新的凿岩问题时可以反馈调节自动升级，优化凿岩。

通过设置检测传感器123，即械臂关节传感器、臂架伸缩位移传感器能够对凿岩姿态进行采集，通过多点连续采集能够形成凿岩曲线，该凿岩曲线可以在人机交互端112显示出来。可以通过凿岩曲线选择最佳凿岩突破口，节省凿岩时间，也让操作人员了解到对凿岩时的工作环境是否安全，从而减小事故的发生率。

第三控制器111c上设有操作功能输入端口，操作功能输入端口包括用于连接开关量输入元件121的DI端口和用于连接模拟量输入元件122的AI端口。开关量输入元件121包括面板开关和功能按钮，模拟量输入元件122包括机械臂动作模拟量操作手柄、速度控制模拟量旋钮。第三控制还通过AI端口与模拟量传感器，如工作参数传感器相连，从而对工作参数进行自动采集，实现对执行元件的自动控制。

需要说明的是，每一控制器111上的每一种类型的端口的数量可以为一个，也可以依据具体需求设置为多个。

第一控制器111a、第二控制器111b和第三控制器111c中的至少一个通过DO端口与开关量执行元件连接，用于控制开关量执行元件工作，开关量执行元件可以包括人机交互端112、指示灯等部件。

上述，系统控制模块110的包括多个控制器111，每一控制器111通过对应的端口与输入控制模块120和对象控制模块130之间形成了星形拓扑结构网络，即控制器111与外部输入、输出硬件通过单独的通信线路连接，将处理和控制功能集中的控制器111上，当通信线路出现故障时易隔离，且控制器111的端口具有较好的扩展性能。

输入控制模块120包括输入扩展端口，对象控制模块130包括输出扩展端口。输入扩展端口包括以太网输入端口，该以太网输入端口可以接入具有以太网通讯功能的外挂设备。输出扩展端口包括以太网输出端口，用以太网控制输出，和WIFI输出端口，用WIFI控制输出。

本控制系统100通过输入控制模块120采集凿岩台车的工作参数信息(压力传感器、臂架伸缩位移传感器、机械臂关节传感器)以及与动作输入信息(手柄操作信号)，经系统控制模块110按预存的应用程序进行逻辑运算，将运算结果输出到对象控制模块130从而实现预功能动作。系统控制模块110的控制器111和人机交互端112之间采用以太网通讯实现数据的高速交换，有效地提高系统的响应速度，有效地提高设备的可操作性以及稳定性。

上述，本实施例的控制系统100具有如下技术效果：

1、具有开放性结构，快速传输。

具有多种IO端口和各种现场总线接口，可在不同的硬件环境下使用。可能兼不同品牌PLC。能全双工，自适应100M波特率快速传输，兼容性能强大升级方便；易实现、出现故障易隔离、扩展性能好。

2、降低开发者的要求，方便使用，降低成本。

各种PLC厂家的编程方法差距很大，工程人员必须经过专业的培训，掌握各个产品的内部接线和指令的使用。本控制系统100功能扩展方便，可以在原系统硬件不变的前提下外挂网口设备进行功能扩展。如外加网络视频系统、外网数据采集系统云数据采集系统、网口远程操作系统等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种凿岩台车的控制系统，其特征在于，包括系统控制模块、输入控制模块和对象控制模块；

所述系统控制模块包括控制器和人机交互端，所述控制器与所述人机交互端之间通过以太网组网；

所述系统控制模块通过输入端口与所述输入控制模块连接，所述输入端口包括AI端口、DI端口、HMI接口和CAN总线接口；

所述系统控制模块通过输出端口与所述对象控制模块连接，所述输出端口包括DO端口和PWM端口。

2.根据权利要求1所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述系统控制模块包括多个所述控制器，每一所述控制器之间通过以太网并网通讯，所述控制器与所述输入控制模块、所述对象控制模块形成星形拓扑结构网络。

3.根据权利要求2所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述输入控制模块包括操作功能输入端口，所述操作功能输入端口包括用于连接开关量输入元件的DI端口和用于连接模拟量输入元件的AI端口。

4.根据权利要求3所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述开关量输入元件包括面板开关和功能按钮；

所述模拟量输入元件包括机械臂动作模拟量操作手柄、速度控制模拟量旋钮和模拟量传感器。

5.根据权利要求3所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述输入控制模块包括检测信号输入端口，所述检测信号输入端口包括用于连接检测传感器的CAN总线接口。

6.根据权利要求5所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述检测传感器包括机械臂各关节传感器、臂架伸缩位移传感器、压力传感器和发动机的编码器。

7.根据权利要求2所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述对象控制模块包括输出控制端口，所述输出控制端口包括用于连接开关量执行元件的DO端口和用于连接比例控制元件的PWM端口。

8.根据权利要求7所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述开关量执行元件包括开关换向阀，所述比例控制元件包括比例控制阀。

9.根据权利要求2所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述输入控制模块包括输入扩展端口，所述对象控制模块包括输出扩展端口。

10.根据权利要求9所述的凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述输入扩展端口包括以太网输入端口，所述输出扩展端口包括以太网输出端口和WIFI输出端口。