CN111585772A - 矿用支架监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了矿用支架监控系统，包括主控中心系统、具有多个以太网通信节点的以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统连接以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统包括ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、系统电源供电单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和安装在矿用支架的传感器；该系统降低了人工检查有线通信线缆的情况，为整个综采自动化工作，自动作业提供了一个有异常通信引起的故障后能够正常进行工作，节约人工反复检查的成本，提高整个的系统的有效工作率。

Description

矿用支架监控系统

技术领域

本发明涉及煤炭开采过程中的综采自动化设备技术领域，具体而言，涉及煤矿综采自动化控制的矿用支架监控系统。

背景技术

国内电液控制系统无论从技术发展和使用维护方面均已非常成熟，已在环境较好的矿实现了普及，并为矿上安全、高产高效开采做出了贡献。且基于视频感知及远程干预操作的自动化综采系统也有大规模的应用，并在减人、增效、提升本质安全方面成效显著。公司电液控产品过硬的质量和良好的技术服务得到矿方一定的认可，对控制器产品的应用有着深刻的理解，为以后自动化及智能化采煤搭建了一个很好的平台。特别是煤矿的一些自动化工作面，使公司对自动化智能化高效、安全开采有了更深入的研究和实践应用，为以后的智能化开采打下了坚实的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供矿用支架监控系统，其能够针对煤炭开采过程中对综采设备的控制管理，液压支架设备的控制器管理，实现了对液压支架，采煤机，皮带运输机，刮板机等综合数据通信和控制，优化和改进了各个设备之间的通信协议更有效的统一和协调各个设备之间的一致性，并进行标准化，从而更换的为综采自动化打下一个良好的基础，降低工作面的通信故障率。

本发明的实施例是这样实现的：

矿用支架监控系统，其包括主控中心系统、具有多个以太网通信节点的以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统连接以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统包括ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、系统电源供电单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和安装在矿用支架的传感器，多个传感器连接至数据采集单元，数据采集单元连接至数据处理收发单元，数据处理收发单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，人机交互单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，系统电源供电单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和传感器，以对各单元进行供电；ARM嵌入式数据处理控制单元通过数据处理收发单元接收到以太网通信节点系统的数据后，对数据进行合法性判断，判断数据合法性的依据是TCP/IP协议，通过该协议将对数据进行读取并分析数据中所传输的真实数据情况，通过解析后ARM嵌入式数据处理控制单元对相应数据的设备发出控制命令进行控制。

在本发明较佳的实施例中，上述ARM嵌入式数据处理控制单元还对主控中心系统的工作状态作监测，实时处理，当主控中心系统遇到可能导致系统紊乱的条件时，ARM嵌入式数据处理控制单元发出控制命令让主控中心系统在短时间内复位重启，以确保主控中心系统不会出现死机、程序跑飞故障。

在本发明较佳的实施例中，上述数据处理收发单元将以太网通信节点系统收到的数据包进行接收，根据数据包里面的组网标识分别读取每个以太网节点的数据，并发送经过 ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点。

在本发明较佳的实施例中，上述当主控中心系统无法正常返回心跳数据包解析内容时，以太网通信节点系统和无线通信节点系统自动重启各自的数据处理收发单元，以确保数据处理收发单元能够实时地工作在正常状态下。

在本发明较佳的实施例中，上述数据处理收发单元是基于4G或5G频率的无线通信网络，数据通过射频电波信号的方式在ARM嵌入式数据处理控制单元和集控中心之间、ARM嵌入式数据处理控制单元和无线射频单元之间进行传输。

在本发明较佳的实施例中，经过上述ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点包括：一，将ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据包，按数据帧的结构发送给指定的集控中心；二，以广播的形式发送一帧系统心跳数据包，该数据包记录有主控中心系统、以太网通信节点系统和无线通信节点系统的工作状态。

在本发明较佳的实施例中，上述数据采集单元对接入传感器的5-30mA的模拟电流信号或0.5-4.5V的模拟电压信号进行AD采样，并将采样的电流信号通过采样电阻转换为0.5-4.5V的电压数字信号，转换为ADC采样值，电压信号直接进行ADC转换，传感器的数据通过数据采集单元采集到的数据传输至数据处理收发单元，数据处理收发单元将数据传输至ARM嵌入式数据处理控制单元进行分析处理，并将处理信号发送至人机交互单元。

在本发明较佳的实施例中，上述以太网通信节点系统包括以太网核心单元和并行处理单元，并行处理单元和以太网核心单元分别连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，以进行快速的数据交换，以太网核心单元基于至少1000M的网络；ARM嵌入式数据处理控制单元为ARM处理器，多个ARM处理器与现有的集控中心连接，且ARM处理器将整个数据通过以太网通信节点系统传输至现有的集控中心进行显示和数据汇总。

在本发明较佳的实施例中，上述无线通信节点系统包括无线射频单元、微处理器单元、电源转换单元以及通信接口单元，ARM嵌入式数据处理控制单元连接通信接口单元并通过通信接口单元连接至以太网单元，无线射频单元连接至微处理器单元，微处理器单元连接至通信接口单元，无线射频单元接收到信号后传输至微处理器单元再通过通信接口单元传输至ARM嵌入式数据处理控制单元，电源转换单元连接至微处理器单元和无线射频单元，以提供稳定的电压保证电源的正常工作。

在本发明较佳的实施例中，上述人机交互单元包括液晶显示屏、按键电路和声光报警器，按键电路分别与液晶显示屏和声光报警器连接，以进行数据操作和发出报警信号，液晶显示屏通过以太网连线连接至ARM嵌入式数据处理控制单元。

本发明的有益效果是：

本发明通过主控中心系统、以太网通信节点系统及无线通信节点系统，解决了以往的有线电缆通信中存在的异常突发情况，通过各单元之间的协调实现了良好的通信平台，解决了使用过程中电缆容易出现破皮、断线等故障的问题，去除了使用过程中由于线缆异常出现导致无法传输有线信号的时候将通过无线通信系统进行通信，降低了人工检查有线通信线缆的情况，为整个综采自动化工作，自动作业提供了一个有异常通信引起的故障后能够正常进行工作，节约人工反复检查的成本，提高整个的系统的有效工作率。

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。

图1是本发明的矿用支架监控系统总体结构原理图；

图2是本发明主控中心系统的结构原理图；

图3是本发明以太网通信节点系统的结构原理图；

图4是本发明无线通信节点系统的结构原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供矿用支架监控系统，其包括主控中心系统、具有多个以太网通信节点的以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统连接以太网通信节点系统和无线通信节点系统，主控中心系统包括ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、系统电源供电单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和安装在矿用支架的传感器，以太网通信节点系统包括以太网核心单元和并行处理单元，无线通信节点系统包括无线射频单元、微处理器单元、电源转换单元以及通信接口单元，系统工作流程是：模拟量数据采集单元对接入的传感器的5-30mA的模拟电流信号或0.5-4.5V的模拟电压信号进行AD采样，并将采样的电流信号通过采样电阻转换为0.5-4.5V的电压数字信号，转换为ADC采样值，电压信号直接进行ADC转换，外接的传感器数据通过数据采集单元采集到数据，并将数据传输到数据收发单元，数据收发单元将数据传输至ARM嵌入式数据处理控制单元，通过ARM嵌入式数据处理控制单元对数据进行分析处理，并根据当前数据情况和总线数据传输的命令对外接设备进行控制如声光报警，并将处理信号发送至人机交互单元，在人机交互单元的人机交换界面中进行显示，并将整个数据通过总线传输到以太网中进行传输，最后到集控中心进行统一的显示和数据汇总处理。

以太网通信节点系统的工作流程是：通过并行处理单元为ARM嵌入式数据处理控制单元和以太网核心单元进行快速的数据交换，然后通过1000M以太网进行数据的传输，快速传输数据。系统电源供电单元为整个以太网通信节点系统提供电源，系统电源供电单元电连接至以太网核心单元和并行处理单元，本实施例的以太网核心单元为以太网交换机，本实施例的并行处理单元为并行处理器，这样，保证了整个系统电源的正常工作，并有短路保护和防接反功能。

无线通信节点系统的工作流程是：通信接口单元和ARM嵌入式数据处理控制单元进行通信和数据传输，然后将数据传输到微处理单元经处理后再传输到无线射频单元将信号发生出去，当无线射频单元收到信号后传输到微处理单元，经微处理单元处理后通过通信接口传输到ARM嵌入式数据处理控制单元，系统电源供电单元主要为微处理单元和无线射频单元提供稳定的电压，保证系统电源的正常工作，本实施例的无线射频单元为RFID 射频识别器，本实施例的微处理器单元为微处理器。

本实施例的传感器包括行程传感器和红外传感器，行程传感器和红外传感器分别固定在矿用支架上，传感器设置有多个，多个传感器连接至数据采集单元，数据采集单元连接至数据处理收发单元，数据处理收发单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，人机交互单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，系统电源供电单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，系统供电单元主要为各个单元和部件进行供电，以对各单元进行供电，保证整个系统电源的正常工作，并有短路保护和防接反功能，本实施例的系统电源供电单元为小电压电源，该系统提供两路独立的5V的电源供电，一路给ARM嵌入式数据处理控制单元供电，因为，ARM嵌入式数据处理控制单元在进行数据处理和集中控制的瞬间功率变化范围比较大，提供独立的电源方案能避免该单元对数据处理收发单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和传感器造成影响，另一路给其它功能单元供电，使之能正常工作。

主控中心系统可以向所有的以太网通信节点系统发生数据，所有的以太网通信节点系统可以相互进行数据的转发，以保证系统信息传输的可靠性，主控中心系统、所有的无线通信节点系统的以太网通信节点，分别配置有各自的基于无线的数据处理收发单元，该数据处理收发单元完成数据的实时无线传输，无线的数据处理收发单元是一个基于2.4GHz的频率为载体的无线通信网络，数据以射频电波信号的模式在各功能系统之间传输。ARM嵌入式数据处理控制单元通过数据处理收发单元接收到以太网通信节点系统的数据后，对数据进行合法性判断，判断数据合法性的依据是TCP/IP协议，通过该协议将对数据进行读取并分析数据中所传输的真实数据情况，通过解析后ARM嵌入式数据处理控制单元对相应数据的设备发出控制命令进行控制，ARM嵌入式数据处理控制单元还对主控中心系统的工作状态作监测，实时处理，当主控中心系统遇到可能导致系统紊乱的条件时，ARM 嵌入式数据处理控制单元发出控制命令让主控中心系统在短时间内复位重启，以确保主控中心系统不会出现死机、程序跑飞故障。

数据处理收发单元是基于4G或5G频率的无线通信网络，数据通过射频电波信号的方式在ARM嵌入式数据处理控制单元和集控中心之间、ARM嵌入式数据处理控制单元和无线射频单元之间进行传输。数据处理收发单元将以太网通信节点系统收到的数据包进行接收，根据数据包里面的组网标识分别读取每个以太网节点的数据，并发送经过ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点；经过ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点包括：一，将ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据包，按数据帧的结构发送给指定的集控中心；二，以广播的形式发送一帧系统心跳数据包，该数据包记录有主控中心系统、以太网通信节点系统和无线通信节点系统的工作状态，这样，确定各路以太网通信节点和无线通信节点是否能够正常处理心跳数据包，当主控中心系统无法正常返回心跳数据包解析内容时，以太网通信节点系统和无线通信节点系统自动重启各自的数据处理收发单元，以确保数据处理收发单元能够实时地工作在正常状态下。

ARM嵌入式数据处理控制单元连接通信接口单元并通过通信接口单元连接至以太网单元，本实施例的通信接口单元为串口通信单元，该单元主要完成外接设备和传感器等与 ARM嵌入式数据处理控制单元数据通信。如数字型传感器通过RS485串行通信协议进行数据的传输通信，无线射频单元连接至微处理器单元，微处理器单元连接至通信接口单元，无线射频单元接收到信号后传输至微处理器单元再通过通信接口单元传输至ARM嵌入式数据处理控制单元，电源转换单元连接至微处理器单元和无线射频单元，以提供稳定的电压保证电源的正常工作。

人机交互单元包括液晶显示屏、按键电路和声光报警器，按键电路分别与液晶显示屏和声光报警器连接，以进行数据操作和发出报警信号，液晶显示屏通过以太网连线连接至 ARM嵌入式数据处理控制单元，液晶显示单元主要由4.3寸真彩液晶屏组成，它主要功能就是进行人机交互时给人以图像文字等方式进行显示，如显示当前支架信息，传感器信息，工作状态和进行功能测试等。按键电路具有用于操作的按键，它主要功能是进行人机交互时通过按键选择和数据设置信息，通过翻页等在液晶上进行操作，如从显示界面通过按键切换到信息显示界面，工作状态界面和工作状态界面等等，声光报警器主要功能是进行声光报警，如当按下急停等按钮时声光报警同时发出报警声音和发出报警灯光。

以太网核心单元，该以太网核心单元为以太网交换机，主要完成以太网数据的接收和发送功能并对数据进行初步是处理，支持1000Base-T、100Base-TX和10Base-T三种速率，具有高速交换系统的所有功能。集成了一个2K条目查找表和一个用于地址搜索和学习的4 路异或哈希算法，每个表条目都可以配置为静态条目，通过比较自己的MAC地址和数据帧中包含的目的地MAC地址来判断该帧是否是发往自己的，一旦确认是发给自己的，则复制该帧做进一步处理，以太网帧中各个字段含义如下：前同步信号字段，包括七个字节的同步符和一个的起始符。目的站点的MAC地址，用于通知网络中的接收站点。帧中包含的发送帧的站点的MAC地址，这是一个6字节的全球唯一的二进制序列，并且最左的一位永远是0，协议类型字段如TCP、IP、ARP、IPX等；系统电源供电单元为以太网核心单元提供3.3V的电源，如以太网数据流量比较大特别是当传输视频数据量时对以太网核心单元的处理能力有很大的要求造成工作的时电流变大功耗增加，。

并行通信单元主要完成以太网数据的传输功能，通过RGMII协议等通过接口芯片进行协议的传输，并行处理单元和以太网核心单元分别连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，以进行快速的数据交换，以太网核心单元基于至少1000M的网络；ARM嵌入式数据处理控制单元为ARM处理器，多个ARM处理器与现有的集控中心连接，且ARM处理器将整个数据通过以太网通信节点系统传输至现有的集控中心进行显示和数据汇总。

无线射频单元，将无线通信节点系统收到的数据包进行无线数据的接收和发送，在系统上电时，在数据接收方面，接收各路由子节点系统传输过来的数据包，在数据发送方面，主要的功能将主控中心系统需要发送给其它无线通信节点的数据包，按约定的数据帧的结构发送给指定的无线通信节点中，在数据发送方面，该单元自动创建一个预设的无线通信网络节点，该节点允许其它各路无线通信节点系统的无线的数据处理收发单元的加入，使之自动组成一个无线的网络。

微处理器单元主要完成对接收和发送的无线数据进行初步是处理同时对无线射频单元进行通信管理，本实施例的微处理单元为微处理器，当无线射频单元接收到数据时传输给微处理单元进行初步的数据处理，如要发射数据时通信接口单元将数据传输到该处理单元，初步处理后传输给无线射频单元发射出去，如在无线射频单元没有数据收发的时候将无线射频单元处于待机状态以降低无线射频单元的功耗。

通信接口单元主要完成微处理器单元和主控中心系统的ARM嵌入式数据处理控制单元之间的数据通信，微处理单元的协议要求采用SPI协议和主控中心系统进行通信并由专用芯片进行协议的转换和电平的转换。电源转换单元主要完成对无线通信节点各功能单元的供电需求。比如产生1.8V和3.3V的直流电源。它提供两路独立的的电源供电，一路给微处理器单元，另外一路给无线射频单元，如无线射频单元在发送和接收数据的瞬间所需要的功率比较大，使其能稳定有效的工作。

综上所述，本发明实例通过主控中心系统、以太网通信节点系统及无线通信节点系统，解决了以往的有线电缆通信中存在的异常突发情况，通过各单元之间的协调实现了良好的通信平台，解决了使用过程中电缆容易出现破皮、断线等故障的问题，去除了使用过程中由于线缆异常出现导致无法传输有线信号的时候将通过无线通信系统进行通信，降低了人工检查有线通信线缆的情况，为整个综采自动化工作，自动作业提供了一个有异常通信引起的故障后能够正常进行工作，节约人工反复检查的成本，提高整个的系统的有效工作率。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.矿用支架监控系统，其特征在于，包括主控中心系统、具有多个以太网通信节点的以太网通信节点系统和无线通信节点系统，所述主控中心系统连接以太网通信节点系统和无线通信节点系统，所述主控中心系统包括ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、系统电源供电单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和安装在矿用支架的传感器，多个所述传感器连接至数据采集单元，所述数据采集单元连接至数据处理收发单元，所述数据处理收发单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，所述人机交互单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，所述系统电源供电单元连接至ARM嵌入式数据处理控制单元、数据处理收发单元、串口通信单元、数据采集单元、人机交互单元和传感器，以对各单元进行供电；所述ARM嵌入式数据处理控制单元通过数据处理收发单元接收到以太网通信节点系统的数据后，对数据进行合法性判断，判断数据合法性的依据是TCP/IP协议，通过该协议将对数据进行读取并分析数据中所传输的真实数据情况，通过解析后ARM嵌入式数据处理控制单元对相应数据的设备发出控制命令进行控制。

2.根据权利要求1所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述ARM嵌入式数据处理控制单元还对主控中心系统的工作状态作监测，实时处理，当主控中心系统遇到可能导致系统紊乱的条件时，ARM嵌入式数据处理控制单元发出控制命令让主控中心系统在短时间内复位重启，以确保主控中心系统不会出现死机、程序跑飞故障。

3.根据权利要求2所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述数据处理收发单元将以太网通信节点系统收到的数据包进行接收，根据数据包里面的组网标识分别读取每个以太网节点的数据，并发送经过ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点。

4.根据权利要求3所述的矿用支架监控系统，其特征在于，当主控中心系统无法正常返回心跳数据包解析内容时，所述以太网通信节点系统和无线通信节点系统自动重启各自的数据处理收发单元，以确保数据处理收发单元能够实时地工作在正常状态下。

5.根据权利要求4所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述数据处理收发单元是基于4G或5G频率的无线通信网络，数据通过射频电波信号的方式在ARM嵌入式数据处理控制单元和集控中心之间、ARM嵌入式数据处理控制单元和无线射频单元之间进行传输。

6.根据权利要求5所述的矿用支架监控系统，其特征在于，经过ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据分发给各个以太网通信节点包括：一，将ARM嵌入式数据处理控制单元处理后的数据包，按数据帧的结构发送给指定的集控中心；二，以广播的形式发送一帧系统心跳数据包，该数据包记录有主控中心系统、以太网通信节点系统和无线通信节点系统的工作状态。

7.根据权利要求4所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述数据采集单元对接入传感器的5-30mA的模拟电流信号或0.5-4.5V的模拟电压信号进行AD采样，并将采样的电流信号通过采样电阻转换为0.5-4.5V的电压数字信号，转换为ADC采样值，电压信号直接进行ADC转换，传感器的数据通过数据采集单元采集到的数据传输至数据处理收发单元，所述数据处理收发单元将数据传输至ARM嵌入式数据处理控制单元进行分析处理，并将处理信号发送至人机交互单元。

8.根据权利要求1所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述以太网通信节点系统包括以太网核心单元和并行处理单元，所述并行处理单元和以太网核心单元分别连接至ARM嵌入式数据处理控制单元，以进行快速的数据交换，所述以太网核心单元基于至少1000M的网络；所述ARM嵌入式数据处理控制单元为ARM处理器，多个ARM处理器与现有的集控中心连接，且ARM处理器将整个数据通过以太网通信节点系统传输至现有的集控中心进行显示和数据汇总。

9.根据权利要求1所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述无线通信节点系统包括无线射频单元、微处理器单元、电源转换单元以及通信接口单元，所述ARM嵌入式数据处理控制单元连接通信接口单元并通过通信接口单元连接至以太网单元，所述无线射频单元连接至微处理器单元，所述微处理器单元连接至通信接口单元，所述无线射频单元接收到信号后传输至微处理器单元再通过通信接口单元传输至ARM嵌入式数据处理控制单元，所述电源转换单元连接至微处理器单元和无线射频单元，以提供稳定的电压保证电源的正常工作。

10.根据权利要求1所述的矿用支架监控系统，其特征在于，所述人机交互单元包括液晶显示屏、按键电路和声光报警器，所述按键电路分别与液晶显示屏和声光报警器连接，以进行数据操作和发出报警信号，所述液晶显示屏通过以太网连线连接至ARM嵌入式数据处理控制单元。

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