CN202300455U - 矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，包括：微处理器控制单元，由阀门驱动及软件升级通信处理单元和阀门驱动及软件升级通信接口组成的阀门驱动及软件升级通信装置，传感器测量与处理单元，电流检测单元，电压检测单元，电流及电压测量处理单元，键盘处理电路以及键盘接口单元，显示接口单元，显示处理电路以及邻架接口，现场总线处理单元。本实用新型能将各台液压支架有机结合起来，为采煤机械提供一个具有进给和跟随的用于薄煤层的工作空间。

Description

矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种应用爆炸危险性气体环境中的交直流电源变换领域，更具体地说，涉及一种用于安装在危险场所（如矿山、化工、冶金、石油、环保等场），向本质安全型电气供电设备供电的具有宽电压范围及ia等级的防爆电源。 

背景技术

煤炭工业是我国重要的基础产业，我国煤炭资源丰富，在未来相当长的时期内，以煤为主的能源供应格局不会改变。我国煤炭工业“十五”和“十一五”时期的重要发展目标是煤炭产业结构调整，实施大集团战略，淘汰落后生产线，提高煤矿生产技术装备水平和采煤机械化程度。 

按照这一目标要求，各煤矿企业集团必须积极推进采煤工艺改革和技术改造，做到壁式正规化开采。加快提升煤炭生产和设备制造技术水平，采用高新技术和先进适用技术，加快高产高效矿井建设。提高煤矿装备现代化、系统自动化、管理信息化水平，淘汰落后的技术装备与工艺，推动煤炭工业科技进步和生产发展。提高煤炭重大技术装备研发和制造能力，促进重大装备制造国产化，尽快达到世界先进水平。 

按照这一目标要求，各煤炭装备制造企业必须建设高产、高效、安全的现代化矿井技术，建成一批以国产化设备为主的采、掘、运、提机电一体化的高效、安全、集约化、现代化生产矿井。同时不断攻克自动化采煤工作面关键技术，重点研究液压支架的程序控制功能，使液压支架能够与采煤机、刮板运输机等相关设备协调动作。 

液压支架控制装置是实现矿井综采工作面生产自动化的关键设备，利用液压支架控制装置可实现综采工作面生产设备的自动化，可大幅度减少操作人员，提高工作面生产效率，降低操作难度，改善工作面产条件，达到安全生产的目的。随着我国煤炭工业结构升级步伐的加快，国家关于煤炭工业的宏观调控及重大设备国产化政策的进一步推进，以前国内大量生产的液压支架不带电液控制系统或控制功能较弱，实现不了综合机械化自动化采煤，“十一五”期间国内重点研制高端液压支架，其核心是液压支架控制装置。工作面液压支架控制器是液压支架电液控制系统的核心技术，其自动化程度和水平是液压支架电液控制先进性的标志。 

液压支架是综合机械化采煤工作面的主体设备，它能可靠而有效地支撑和控制采煤工作面顶板，隔离煤层采空区，保持安全的井下作业空间，并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移，为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造条件。液压支架与采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、皮带输送机等设备配合，构成了回采工作面主要的综合机械化采煤设备，采用液压支架支护煤层顶板是当代采煤技术的一次重要变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。 

目前国内外按照煤层厚度大小，将煤层分为薄煤层、中厚煤层、厚煤层。其中，1.3m以下为薄煤层，1.31~3.5m为中厚煤层，3.5m以上为厚煤层；作为中厚煤层以上的液压支架实现电液控制已经可以实现，并且技术相当成熟，但用于薄煤层机械化开采的自动化电液控制由于作业空间狭小，一直都是一个技术瓶颈。 

在煤矿井下，通常有数百台液压支架在同时作业，而这些液压支架的工作均独有独立性，即没有通过一个总的控制设备将这些液压支架有机地结合起来，这样无法为采煤机械提供一个具有进给和跟随的工作空间，因此，如何将数百台液压支架从电气关系上有机地结合起来，用于薄煤层的工作空间成为了本实用新型的主要目的。 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种将矿井下的各台液压支架有机结合起来的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，为采煤机械提供一个具有进给和跟随的用于薄煤层的工作空间。 

实现上述目的的技术方案如下： 

矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置包括若干个结构相同的控制器，各个控制器包括：

微处理器控制单元，对来自于传感器测量与处理单元以及现场总线处理单元的信号进行计算后发出控制命令信号；以及

由阀门驱动及软件升级通信处理单元和阀门驱动及软件升级通信接口组成的阀门驱动及软件升级通信装置，将微处理器控制单元的输出信号进行放大后输出给电磁阀驱动器，控制电液控换向主阀实现各种动作；以及

传感器测量与处理单元，该传感器测量与处理单元对来自于检测装置接口输出的数据进行采集和滤波处理；以及

电流检测单元，对控制器内部消耗的电流进行检测；以及

电压检测单元，对控制器内部消耗的电压进行检测；以及

电流及电压测量处理单元，将来自于电流检测单元和电压检测单元的电信号处理后输出到微处理器控制单元；以及

键盘处理电路，该键盘处理电路接收来自于按键操作的命令；以及

键盘接口单元，将键盘处理电路输出的各个按键的状态信息输入到微处理器控制单元；以及

显示接口单元，该显示接口单元接收来自于微处理器控制单元输出的数据；以及 

显示处理电路，对来自于显示接口输出的数据进行处理后输送到显示器；以及

邻架接口，用于与相邻控制器的邻架接口连接，使控制装置所有控制器之间能通过总线连接电缆交换和传输数据；以及

现场总线处理单元，接收来自于邻架接口输出的信号，使控制器之间实现数据交换。

控制器还包括用于连接外部传感器的检测装置接口。 

所述阀门驱动及软件升级通信单元为PIC18F4685芯片，阀门驱动及软件升级通信接口为SKK24-Z圆形4芯连接器。 

控制器的面板上设有连接键盘处理电路的按键。 

控制器的面板上设有连接显示处理电路的显示面板。 

控制器的面板上设有与微处理器控制单元连接的声光装置，该声光装置包括对所有成组动作支架发出灯光闪烁警示的警示灯，以及用来指示支架联动运行的联动指示灯；以及用来指示液压支架控制装置的运行故障指示灯，以及用于键盘操作时发出声音提示，以及所有成组支架动作开始时、联动运行开始时发出声音警示的蜂鸣器。 

控制器的侧面布置急停按钮和闭锁按钮，急停按钮和闭锁按钮均与微处理器控制单元连接。 

采用了上述方案，工作面液压支架控制器是作为煤矿井下液压支架控制专用的微电脑型控制器，是支架电液控制系统的核心，是综合自动化采煤系统的关键设备，它安装在每台液压支架上，其作用是把煤矿井下工作面数百台支架从电气关系上通过现场总线有机地结合起来，同时采集各传感器的数据，完成一系列的逻辑控制运算，通过电磁阀驱动器控制电磁阀的开通和关闭，进而控制液压缸的行程和支架的各种动作，使支架达到预先设定的姿态，为采煤机械提供一个具有进给和跟随的工作空间。工作面液压支架控制装置中各控制器之间通过现场总线进行通信，达到彼此交换数据、相互控制的目的。利用液压支架控制装置可实现综采工作面生产设备的自动控制，提高工作面生产效率，改善工作面生产条件，达到安全生产的目的。 

工作面液压支架控制器采用机电一体化相结合的原理，根据综合采煤工艺编程，实现液压支架单台控制或成组控制，跟踪采煤机割煤位置实现全自动控制。控制器上设有单个手动操作键盘、急停按钮、闭锁按钮，可通过液晶显示和中文菜单修改控制参数，实现人机对话。控制器采集诸如压力、行程及煤机位置等数据，实现液压支架的各种动作，能诊断、显示及处理各种故障情况。 

薄煤层液压支架电液控制器体积小，可用于薄煤层的工作空间，是实现薄煤层矿井综采工作面生产自动化的关键设备，采用本实用新型所述装置可大幅度减少操作人员，提高工作面生产效率，降低操作难度，改善工作面产条件，达到安全生产的目的。 

附图说明

图1 表示本实用新型液压支架控制器外观示意图； 

图2 表示本实用新型液压支架控制器按键操作及液晶显示面板示意图；

图3 表示本实用新型液压支架控制器背板示意图；

图4 表示本实用新型液压支架控制器外围配置示意图；

图5 表示本实用新型液压支架控制器原理框图；

图6 表示本实用新型阀门驱动及软件升级通信原理图；

图7 表示本实用新型阀门驱动及软件升级通信连线图；

图8表示本实用新型键盘处理电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，包括若干个结构相同的控制器，控制器的面板上设有连接控制器的键盘处理电路的按键2、连接控制器的显示处理电路的显示面板3、与控制器的微处理器控制单元急停按钮8和闭锁按钮9、与控制器的微处理器控制单元连接的声光装置。 

图1 表示了本实用新型支架控制器的外观示意图，在控制器的构造中示意出了带有图形和中文提示按键2的按键操作及液晶显示面板3，以及安装在按键操作及液晶显示面板上的中文液晶显示器4，这些构成了支架控制器的人机接口介面，用来实现人机对话，通过键盘、液晶显示器和中文菜单，使操作者完成对不同采煤工艺参数的设置和调整，并能显示出液压支架在采煤过程中的运行状态、关键数据和故障情况。按键2和中文液晶显示器4被灌封在一个按键操作及液晶显示模块内，使整个控制器的信息提示清晰、参数设置简单，降低了故障率，提高了系统的可靠性。在控制器按键操作及液晶显示面板上安装有一个警示灯6，用来对所有成组动作支架发出灯光闪烁警示；安装有一个联动指示灯5，用来指示支架的联动运行；安装有一个故障指示灯7，用来指示液压支架控制装置的运行情况。在控制器底部安装有一个蜂鸣器10，用来对键盘操作时发出声音提示，以及所有成组支架动作开始时、联动运行开始时发出声音警示。警示灯6、联动指示灯5、故障指示灯7、蜂鸣器10组成了声光装置。在壳体的侧面安装有一个急停按钮8，当工作面出现紧急异常情况时，可在任意控制器上按急停按钮后，停止系统所有支架的工作。在壳体的侧面安装有一个闭锁按钮9，当操作或维修人员在某台支架上工作时，可按本架闭锁按钮，则该支架及左右相邻控制器同工作面上其它控制器一样，可执行任何操作，并通过总线发出命令，但它接收到任何动作命令时，不会产生相应动作。在壳体的前面板上有22个内六角螺钉1，用来固定按键操作及液晶显示面板3。 

图2 表示了本实用新型支架控制器按键操作及液晶显示面板示意图，控制器前面板主要由22个带图形和中文提示的按键2、一个中文液晶显示器3、一个警示灯6、一个联动指示灯5、一个故障指示灯7、一个急停按钮8和一个闭锁按钮9组成，每个按键的左上角具有一个该按键的的指示灯，其中“收、喷雾、推溜、降拉升、伸平衡、起底、收平衡、降柱、拉架/溜、升柱”10个按键还依次兼作0～9数字键，“伸”按键兼作负号键，“确认”按键兼作菜单进入键，“左成组、右成组、左邻架、右邻架”4个按键依次兼作菜单左翻、菜单右翻、菜单上翻和菜单下翻键。控制器上的任一按键被按下时，向微处理器发该按键功能信号，蜂鸣器发出声音一次，相应的按键指示灯亮，但不一定产生相应的动作或功能。 

操作键盘板上的“伸侧护、收侧护、伸护帮、收护帮、喷雾、推溜、降拉升、伸平衡、起底、收平衡、降柱、拉架/溜、升柱”13个按键均属于动作键。当进行本架推溜时，“推溜”键属于自保持动作键，按下该键后本架推溜，松开该键后本架推溜继续进行，再次按下该键或达到预先规定的推溜时间后本架推溜停止。当邻架使能时，“降拉升”属于自保持动作键，按下该键后邻架降拉升启动，松开后动作保持，再次按下该键或达到归定的设定值（时间、行程或压力）后降拉升停止。当邻架使能时，其余动作键属于点动键，按下某键后被选支架产生对应的动作，松开后被选支架对应的动作停止。当成组功能时，所有动作键属于点动键，按一下某键后即使松开，被选支架将选定对应的成组动作但不启动（在液晶显示器上显示动作类型），按“START”键后成组动作启动，按“STOP”键或达到归定的设定值（时间、行程或压力）后成组动作停止。操作键盘板上的“左成组、右成组、伸、收”属于点动功能键，按下某键后相应的功能起作用，松开后相应的功能停止。操作键盘板上的“左邻架、右邻架”属于自保持功能键，按下某键后相应的功能起作用，松开后功能保持，再次按下或达到主控时间又无对应的动作后相应的功能停止。当翻阅菜单时，“左成组、右成组、左邻架、右邻架”均属于点动功能键。 

图3表示了本实用新型支架控制器背板示意图，在控制器的背板中设置有由7个4芯接插头接口组成的单排端口11与外围设备的连接进行数据接口。其中左邻架接口12、右邻架接口13用于本架控制器与左右邻架控制器之间电源和数据通信的连接，它们的连接方式是左右顺序级连，不能交叉连接。驱动/升级接口14用于连接电磁阀驱动器或外部优盘设备，实现与电磁阀驱动器进行数据通信以及对本架控制器进行程序升级或更新。 

参照图4和图5，为本实用新型的控制器的主要电路结构，各个控制器包括： 

用于连接外部传感器的检测装置接口19，每台控制器检测装置接口的具有4个接口，这些检测接口为红外接收器接口15，过滤报警器接口16，行程传感器接口17、压力传感器接口18，分别用来配置红外线接收器、过滤报警器、推杆行程传感器、立柱压力传感器四支传感器，通过检测装置接口19与控制器相连，使控制器从外部采集数据，实现工作面的自动化采煤。以及传感器测量与处理单元20，该传感器测量与处理单元对来自于检测装置接口输出的数据进行采集和滤波处理。

以及邻架接口，用于与相邻控制器的邻架接口连接，使控制装置所有控制器之间能通过总线连接电缆交换和传输数据，邻架接口由左邻架接口12和右邻架接口13组成，左邻架接口12用于与该左邻架控制器的右邻架接口相连，右邻架接口13用于与该右邻架控制器的左邻架接口相连。 

以及现场总线处理单元25，接收来自于邻架接口输出的信号，使控制器之间实现数据交换，达到交互控制的目的，并利于减少支架间连线数量，提高系统的可靠性。 

以及微处理器控制单元21，对来自于传感器测量与处理单元以及现场总线处理单元的信号进行计算后发出控制命令信号。微处理器控制单元21被灌封在一个主控制模块内，主控制模块含内集成了由4芯接插头组成的单排端口11， 

微处理器芯片控制单元21是控制器的核心单元，所有执行程序装在其内部的存储器中，通过采集到的各种外部数据和接收到的各种输入指令，进行复杂的逻辑运算，输出相应的控制信号，控制阀门驱动相应的液压缸，实现支架的各种动作。其中传感器信号通过红外线接收器、过滤报警器、推杆行程传感器、立柱压力传感器四支传感器接口接入控制器，通过传感器测量与处理单元20对这些数据进行采集、滤波，最后输入微处理器控制单元21。

以及阀门驱动及软件升级通信装置，将微处理器控制单元的输出信号进行放大后输出给电磁阀驱动器，控制电液换向主阀实现各种动作。阀门驱动及软件升级通信装置由阀门驱动及软件升级通信处理单元22和阀门驱动及软件升级通信接口14组成。阀门驱动及软件升级通信单元22由PIC18F4685微处理器实现，通过PIC18F4685内部的异步收发器USART，采用C语言进行异步串行通信的编程，通过软件采用中断方式实现阀门驱动及软件升级通信，图6 表示了本实用新型阀门驱动及软件升级通信原理图，其中PIC18F4685微处理器的25、26脚实现本实用新型液压支架控制装置与阀门驱动器和软件升级器的通信，电阻R20、电阻R21为上拉电阻。阀门驱动及软件升级通信接口14采用SKK24-Z圆形4芯连接器，实现本实用新型液压支架控制装置与阀门驱动器和软件升级器的信号连接，图7 表示了本实用新型阀门驱动及软件升级通信连线图，其中4芯连接器CZ6的2、3脚实现阀门驱动及软件升级通信接口，1、4脚为电源和地。微处理器控制单元21的输出信号，经过阀门驱动及软件升级通信单元22进行放大处理，最后由阀门驱动及软件升级通信接口14输出给电磁阀驱动器23，控制电液控换向主阀实现各种动作。 

以及电流检测单元30，对控制器内部消耗的电流进行检测；以及电压检测单元31，对控制器内部消耗的电压进行检测；以及电流及电压测量处理单元24，将来自于电流检测单元和电压检测单元的电信号处理后输出到微处理器控制单元。经微处理器控制单元进行计算后，用户可以清楚地知道每台控制器在任何时刻所消耗的电流大小以及供电电压大小。 

以及键盘处理电路27，该键盘处理电路接收来自于按键操作的命令；以及键盘接口单元26，将键盘处理电路输出的各个按键的状态信息输入到微处理器控制单元。如图8，键盘处理电路27主要由PIC16F883微处理器、22个按键KL1~KL2及相应的电阻、电容、二极管、指示灯等组成，采用C语言及中断处理技术进行编程，实现按键信号的处理，当任意按键按下或抬起时，PIC16F883接收到信号并进行编码，然后发送给PIC18F4685微处理器进行处理。 

以及显示接口单元28，该显示接口单元接收来自于微处理器控制单元输出的数据；以及显示处理电路29，对来自于显示接口输出的数据进行处理后输送到显示器。微处理器控制单元21将需要送显的信息和数据通过显示接口28传送到显示处理电路29，最后显示在中文液晶显示器上。 

按照本实用新型，使用时，与控制器连接的电磁阀驱动器、电源适配器、隔离耦合器、红外线接收器、压力传感器均采用了高强度工程塑料壳体，这种壳体材料外观颜色为本安蓝色，其拉伸强度、抗压强度、弯曲强度及冲击强度均大于普通的塑料 ，阻燃性等级、表面绝缘电阻均符合煤安要求，采用这种工程塑料的壳体重量轻便、强度高、价格低廉。 

对于专业技术人员来说由以上描述可得出一系列的改进，这些改进应纳入诸从属权利要求的保护范围内。 

Claims (7)

1.一种矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：包括若干个结构相同的控制器，各个控制器包括：

微处理器控制单元，对来自于传感器测量与处理单元以及现场总线处理单元的信号进行计算后发出控制命令信号；以及

由阀门驱动及软件升级通信处理单元和阀门驱动及软件升级通信接口组成的阀门驱动及软件升级通信装置，将微处理器控制单元的输出信号进行放大后输出给电磁阀驱动器，控制电液控换向主阀实现各种动作；以及

传感器测量与处理单元，该传感器测量与处理单元对来自于检测装置接口输出的数据进行采集和滤波处理；以及

电流检测单元，对控制器内部消耗的电流进行检测；以及

电压检测单元，对控制器内部消耗的电压进行检测；以及

电流及电压测量处理单元，将来自于电流检测单元和电压检测单元的电信号处理后输出到微处理器控制单元；以及

键盘处理电路，该键盘处理电路接收来自于按键操作的命令；以及

键盘接口单元，将键盘处理电路输出的各个按键的状态信息输入到微处理器控制单元；以及

显示接口单元，该显示接口单元接收来自于微处理器控制单元输出的数据；以及

显示处理电路，对来自于显示接口输出的数据进行处理后输送到显示器；以及

邻架接口，用于与相邻控制器的邻架接口连接，使控制装置所有控制器之间能通过总线连接电缆交换和传输数据；以及

现场总线处理单元，接收来自于邻架接口输出的信号，使控制器之间实现数据交换。

2.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：控制器还包括用于连接外部传感器的检测装置接口。

3.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：所述阀门驱动及软件升级通信单元为PIC18F4685芯片，阀门驱动及软件升级通信接口为SKK24-Z圆形4芯连接器。

4.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：控制器的面板上设有连接键盘处理电路的按键。

5.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：控制器的面板上设有连接显示处理电路的显示面板。

6.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：控制器的面板上设有与微处理器控制单元连接的声光装置，该声光装置包括对所有成组动作支架发出灯光闪烁警示的警示灯，以及用来指示支架联动运行的联动指示灯；以及用来指示液压支架控制装置的运行故障指示灯，以及用于键盘操作时发出声音提示，以及所有成组支架动作开始时、联动运行开始时发出声音警示的蜂鸣器。

7.根据权利要求1所述的矿井下薄煤层工作面液压支架的控制装置，其特征在于：控制器的侧面布置急停按钮和闭锁按钮，急停按钮和闭锁按钮均与微处理器控制单元连接。

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