CN1550941B - 用于地下采矿的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现地下采矿控制作业的控制装置，它具有模块化构造的硬件，其中包括带有微处理器的中央单元，相应的用于存储和处理软件的可编程的存储构件，以及用于使本发明的控制装置与其他控制装置和/或所要控制的执行部件、传感器等进行通信的连接组件。其中中央单元的连接组件作为模块来实现，中央单元模块和连接组件模块具有不同的效率和/或功能，它们可任意相互结合和连接。本发明的控制装置可灵活用于不同的应用领域，并节省了成本。

Description

用于地下采矿的控制装置

发明领域

本发明涉及一种用于实现地下采矿控制作业的控制装置，具有模块化构造的硬件，其中包括带有微处理器的中央单元，还具有相应的用于存储和处理软件的可编程的存储构件、以及用于使控制装置与其他控制装置和/或所要控制的执行部件、传感器或者类似部件进行通信的连接组件。

背景技术

在地下采矿中，一直希望尽可能使用通用的、结构统一的控制装置在不同的应用领域中实现控制，以节省用于硬件开发、制造、准入、备件库存的成本。相应控制的主要应用领域是带有刨煤机或者滚筒采煤机的煤炭挖掘系统的地下电动液压掘进支撑(Schildausbau)，这是因为在相应的煤炭挖掘系统中必须连接非常多的执行部件或传感器，而且在特定的地下采矿工作面中，可能在相邻设置的电动液压支撑掘进板(Ausbauschilden)中应用了多个结构相同的控制装置。但是，在其他采矿工作面中，对于控制装置的需求就改变了，这是因为可能需要操作其他的执行部件或者传感器，和/或必须控制执行其他的控制程序。同时，应用于控制装置中的软件必须要与不同的硬件和/或不同的控制功能相匹配。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于实现地下采矿控制作业的控制装置，该装置满足了上述所希望实现的要求。

本发明的目的将通过根据本发明的硬件以如下方式实现，即中央单元和连接组件作为模块来实现，其中可使中央单元模块和连接组件模块具有不同的效率和/或功能，这二者根据标准构件原理，最好可任意地相互组合或相互耦合到控制装置的硬件。通过以模块化方式实现控制装置的整个组件，即一方面作为“中央单元”的组件、另一方面作为“连接组件”的组件，可以用数量有限、结构不同的中央单元或连接组件在仍需要保证的单个组件的小批量生产中提供控制装置，这样可以近似于最佳地与控制作业相匹配，而不必增加其功率消耗或者功能，因而也无需增加成本。用作中央单元的模块和用作连接组件的模块尤其可以根据可能的功率、耗用电流、和功能性相区别。在中央单元中，可以实现处理器和用于处理器的环境，这些处理器及其环境在处理器的类型、以及在计算能力、耗用电流，数据总线宽度、以及易失和非易失性存储构件的容量和类型等方面都有所不同。开关组件的模块尤其在插接件的数量、类型以及实施方式上有所不同，还在接口的输出数据以及其他诸如此类的方面有所不同。

在特别的优选实施例中，根据本发明的控制装置还包括另外一个用作“开关组件”的模块，该模块具有用于进行手动输入控制指令的输入装置和/或用于显示数据、工作状况或者功能的显示装置，其中，具有不同输入装置或者显示装置的开关组件模块最好与用于中央单元和用于连接组件的模块可以任意结合并连接，同时这也是为了在制造各个模块时，使节约成本的标准构件原理能够移植。组成开关组件的模块可以在输入元件(开关、按钮等)的数量和类型，以及输出元件(LED、显示器)的数量和类型方面，以及在功率消耗方面有所不同。

通过模块之间的机械和电子的标准化接口或者连接位置，可以保证各个模块之间的连接和结合，其中可以看出，在本发明的优选的实施例中，所有模块之间都是以这种方式构造的，即它们能够分别用整体化的安装装置装入到整体化的壳体中。特别优选的是，当开关组件的模块和/或连接组件的模块装有信息单元时，可以将模块的集成的硬件单元或硬件的特性等信息存储到该信息单元上，这样这些信息就可由中央单元自动读取了。利用每个信息单元(标识构件)和运行时的自动读取，也就是说在启动控制装置时，能够自动地、且与软件无关地由中央单元实现对所有控制装置中应用的硬件识别。

为了能够实现前述的目的，根据本发明，中央单元中的至少一个存储构件由最好可自由编程的FPGA(可编程门阵列)构成。在与之相对应的连接组件的结构中，这提供了特别的优点，即利用FPGA可以在连接组件中自由配置连接功能，因此，可以利用软件与不同的功能相匹配。为了通过FPGA使连接组件的功能可以和不同的作业地点相适应，以及为了能够和不同的接口、通信协议、数据处理、数字滤波器、控制器以及诸如此类的相匹配，尤其具有优点的是，FPGA具有至少一个闪存构件，因此与一个可重写的、非易失性的存储构件相对应，以这种方式，就可以利用FPGA存储那些用于产生不同功能或者设计的软件代码，需要时可以调用这些信息。

为了能够实现前述的目的，根据本发明，按照分级原理和标准构件原理，可载入到存储构件中的软件可以由单个的、最好由不同的软件库中存储的驱动程序分等级地共同组成。中央单元模块结构，连接组件和/或开关组件的模块化结构与存储在相应的开发环境中的软件库中的软件代码的统一使得可以与应用无关地实现模块的更换，同时也可以保持控制装置的功能。为了应用于地下采矿，尤其建议至少连接组件的模块以自保护的方式来实现。

附图说明

现在根据实施例的示意图，进一步说明本发明。图中示出了：

图1根据本发明第一个实施例中的控制装置的结构示意图；

图2根据本发明的一个优选实施例中的控制装置的结构示意图；

图3为图2中控制装置的模块原理图。

具体实施方式

图1中附图标记1表示地下采矿中用于多方面不同控制作业的可编程电子控制装置。控制作业可涉及利用电动液压支撑掘进板、输送装置、辊装机、滑车和断面掘进机或单轨吊车等进行的工作面掘进。优选的应用是利用在工作面长度上分布设置的支撑掘进板进行的地下掘进支撑。这些掘进板分别通过一根数据总线来控制，并监控设置在相应的支撑掘进板处的传感器，以及操作执行部件，如电动液压阀，使在掘进支撑处的升降冲头(Hubstempel)向内或向外移动，或者通过回程滚筒(Riickzylinder)向内或向外的移动来推动掘进支架在开采方向上移动。电动液压掘进支撑是已知的，因此无需进一步的详细描述。

控制装置1采用了模块方式来实现，其中构成控制装置的中央单元的模块用附图标记10来表示，构成控制装置1的连接组件的模块用附图标记20来表示。这两个模块10，20通过没有进一步示出的标准化电连接和机械连接在模块接口2处相互耦合，并且这两个模块10，20设置在一个为地下采矿而适当设计的、图中未详细示出的壳体3中。构成中央单元的模块10包括一个作为中央单元的微处理器11，以及用于操作该微处理器的处理器环境。中央单元模块10中的微处理器11还配置了RAM存储器12，闪存13和FPGA(可编程门阵列)14，它们和电路板和/或电缆一起形成了模块10的硬件。用作连接组件的模块20包括图中示出的模拟和数字的输入-输出电路21(I/O电路)，以及在壳体3的后侧4上形成的多个连接器22，23，24和可能具有的结构不同的未详细示出的插件连接器，以利用控制装置1可以调用例如与连接器23相连的传感器发出的信号，将控制信号输出到例如与连接器24相连的执行部件。优选地，点火保护型的自保连接导线23，24，25可以进行多功能的应用，这是因为连接器23，24，25的功能通过电路21和与电路21相应的FPGA 14可以任意改变、组合或者补充。因此，利用控制装置1的各种控制作业所需的功能单元以及相应的驱动程序，可将为FPGA 14设计的软件驱动程序存储在闪存13中，这一点将在下面详细描述。因而，闪存13可以用于存储FPGA 14的设计、处理器11的驱动程序、RAM存储器12的驱动程序、和电路21的驱动程序、以及用于实现不同的控制作业的相应的软件代码。

图2示出了整体上用附图标记100来表示的用于地下采矿控制作业的可编程电子控制装置，由三个模块30，40，50共同组成。模块30构成了中央单元，包括如图1所示实施例中带有环境31的微处理器、RAM存储器32，闪存33、FPGA 34。在图2中模拟或数字的数据交换用双向箭头线来表示。用于连接组件的模块40包括模拟和数字电路41，其中电路的功能性通过FPGA 34的设计可以多功能地确定，在壳体103的后部104有多个带有适当的插座的或类似部分的连接器或者连接组件43，44，45。连接组件40还包括作为标识组件的信息单元46，在该信息单元中可以存储可自动读取的数据，这些数据能确定在模拟和数字电路41和连接器43，44，45中存在哪些硬件单元。信息单元46可以利用微处理器31读取，如虚线中的箭头36所示，这样微处理器31和中央单元30在控制装置100启动之后，可以识别在连接组件40中存在哪些硬件。

控制装置100包括用于开关组件的第三个模块50，该模块包括附图标记51示出的相应的显示器或显示装置和/或用于输入控制指令的键盘。显示器和键盘可从控制装置100的前部105触及或观察。信息单元52作为标识组件集成到开关组件模块50中，在信息单元中存储有可读取的信息，即模块50中具有哪些硬件如键盘和显示装置的信息。信息单元52也可以以恰当的方式，利用中央单元30的微处理器31自动读取，如虚线中的箭头37所示。模块40和模块50均通过机械方式和电气方式的标准接口连接到中央单元模块30的模块接口，其中在连接状态下，在控制装置100启动之后，根据信息单元46，52可以自动识别所有硬件单元。

控制装置100包括三个模块30，40，50，且这些模块通过标准化接口相互连接，这种结构提供了特别的优点，即在地下采矿中可以提供能够用于不同控制作业的控制装置。控制装置的硬件基本上与控制功能最佳地匹配，而耗电量、功率消耗、计算负荷等不会过大或过小。图3示出了多个不同的控制装置100A，100B，100C，100D，100E，根据标准构件原理分别由三个不同的模块30，40，50的变型共同组成。在图3中模块30的不同实施变型通过模块B1，B2，B3来表示，连接组件模块40的不同实施变型通过模块A1，A2，A3来表示，开关组件模块50的不同实施变型通过模块C1，C2，C3来表示。如上所述，模块30的变型B1，B2，B3中的硬件可以在处理器类型上有所不同，因此就可以在计算负荷、耗用电流、数据总线带宽、RAM和闪存的存储容量和类型、以及FPGA的容量方面有所不同。模块40的变型A1，A2，A3在插件组件的数量、类型、实施方式方面以及电路的效率数据方面有所不同。模块50的变型C1，C2，C3可以在输入能力、输出部件的数量和类型、以及功率消耗方面有所不同。

为了能够获得模块式构造的存储装置1或100的最佳变型，相应的软件也分别根据分等级的分层原理或者标准构件原理组成，以使通过软件的分层模块支持硬件单元的模块更换。分层模块尤其可包括用于程序功能的基本程序库(Base-LIB)，该程序库包含控制、存储和操作用于FPGA的各个硬件单元和功能单元的所有驱动程序。在用于程序功能(API-LIB)的特定应用的程序库中，仅连接或者初始化实现控制作业所必需数目的驱动程序或更多驱动程序，这样就可以使用实现特定控制功能的所有驱动程序。通信可通过适当的接口进行，这样就可以访问在API-LIB中现有的程序功能。将各个驱动程序从不同的程序库装载到中央单元的闪存中是在开发环境中完成的，在那里为了能够利用模块式构造的控制装置实现不同控制功能，所有用于FPGA可能设计的功能单元可以汇总、存储在上层程序库(VHDL程序库)中。然后，相应地，与控制作业相协调的FPGA设计在控制装置的编程和初始化过程中被写入闪存，其中也可以存储多个用于完成不同控制作业的FPGA设计。控制装置完成哪些控制作业，可以借助于批数据库或者通过控制装置的内部编码或者可选择的外部编码，如与连接组件的一个连接器相连的编码插件，来确定。

根据本发明的控制装置的模块性可从用于各个模块的标准部件原理得出，这些模块可以相互任意结合和连接。由于采用了FPGA技术和软件的分级模块，可以使连接组件的功能性和程序功能具有灵活性，其中每个概念分别是一个独立的发明构思。

Claims (6)

1.一种用于实现地下采矿控制作业的控制装置，具有模块化构造的硬件，所述硬件包括带有微处理器(11；31)的中央单元、相应的用于存储和处理软件的可编程的存储构件(12，13；32，33)以及用于使控制装置(1，100)与其他控制装置和/或所要控制的执行部件、传感器进行通信的连接组件，其特征在于，

中央单元和连接组件分别作为模块(10，20；30，40)来实现，其中用于中央单元和连接组件的模块(B1，B2，B3；A1，A2，A3)具有不同的效率和/或功能，它们根据控制装置硬件的标准构件原理能任意地相互结合和相互连接；

具有用于开关组件的模块(50)，设置有用于进行手动输入控制命令的输入装置和/或用于显示数据、工作状态或功能的显示装置，其中带有不同输入装置或显示装置的用于开关组件的模块(C1，C2，C3)与用于中央单元和用于连接组件的模块(A1，A2，A3；B1，B2，B3)能任意组合以及连接；

所述中央单元(10，30)中至少一个存储构件由能自由编程的FPGA(14；34)组成；

利用FPGA(14；34)，连接器(23，24，25；43，44，45)或者电路(21；41)的功能性能在所述连接组件的模块(40)中进行配置。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述用于开关组件的模块(50)和/或用于连接组件的模块(40)设置有信息单元(52；46)，在所述信息单元中存储相应的用于开关组件和用于连接组件的模块(50；40)的硬件单元信息，所述硬件单元信息通过用于中央单元的模块(30)自动读取。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，FPGA(14；34)分配有闪存构件(13；33)。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，根据分级原理或标准构件原理，能装载到存储构件(13；33)中的软件分等级地由各个不同的软件程序库中存储的驱动程序共同组成。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，用于控制、存储或操作FPGA(14；34)的硬件单元或者功能单元的基本驱动程序存储在一个程序库中，特定应用的驱动程序存储在另一个程序库中。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，至少用于连接组件的模块(20，40)以自保护方式实现。