CN202331192U - 液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，包括：电压检测电路，用于检测控制系统各设备直流供电电压的大小；电流检测电路，用于检测控制器在任何时刻所消耗的电流大小；现场总线数据传输及通信状态检测电路，用于正常工作时数据和命令的传输控制接口，同时对总线运行情况和通信状态进行实时检测；键盘及液晶显示器接口处理电路，用于各控制器故障信息的详细查询和显示。本实用新型能对井下工作面液压支架电液控制系统具有完善的故障综合诊断，能实时的精确判断出电液控制系统中出现的各种故障情况、故障位置和故障类型，并在每台控制器上用中文精确提示出任意故障发生的位置和故障类型，便于故障排除和系统维修。

Description

液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路

技术领域

本实用新型涉及矿井下工作面液压支架电液控制领域，具体涉及一种用于液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路。 

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。 

液压支架电液控制系统是实现矿井综采工作面生产自动化的关键设备，利用液压支架电液控制系统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。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，其核心是电液控制系统。工作面液压支架电液控制系统的故障诊断是电液控制系统的关键技术，是实现综合机械化自动采煤不可缺少的组成部分。 

一个工作面有数百台液压支架，每台支架上安装有一台控制器，一支压力传感器及对应的电缆连接组件，一支行程传感器及对应的电缆连接组件，一支红外线接收传感器及对应的电缆连接组件，一个电磁阀驱动器及对应的电缆连接组件。各支架控制器之间用架间电缆组件进行电气连接，每四台支架控制器之间用隔离耦合器及对应的电缆组件进行电气连接，每八台支架控制器之间用双路防爆电源、电源适配器及对应的电缆组件进行电气连接，电磁阀驱动器和电磁换向阀组（先导阀）之间用1～16根电缆组件进行电气连接。 

由于煤矿井下工况恶劣，支架控制器、双路防爆电源、电源适配器、隔离耦合器、各种传感器及各种电缆连接组件经常受到煤尘和水份的侵蚀出现故障。对于一个可能随时随地出现各种故障的综采工作面，如果不能实时的精确判断和指示出故障位置、故障类型，将极大地影响工作面的正常生产，同时也不便于工作面支架电控制系统的维修。 

发明内容

本实用新型的目的是提供液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，本实用新型能对井下工作面液压支架电液控制系统具有完善的故障综合诊断，能实时的精确判断出电液控制系统中出现的各种故障情况、故障位置和故障类型，并在每台控制器上用中文精确提示出任意故障发生的位置和故障类型，便于故障排除和系统维修。 

实现上述目的的技术方案如下： 

液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，包括：用于传感器数据采集的传感器数据采集电路、电压检测电路、电流检测电路、现场总线数据传输及通信状态检测电路、微处理器以及键盘及液晶显示器接口处理电路；所述传感器数据采集电路、电压检测电路、电流检测电路分别连接于微处理器的输入端，所述现场总线数据传输及通信状态检测电路以及键盘及液晶显示器接口处理电路分别连接于微处理器的输出端，微处理器对来自于传感器数据采集电路、电流检测电路、电压检测电路、现场总线数据传输及通信状态检测电路的信号进行计算，对是否存在故障作出判断。

采用了上述方案，通过传感器数据采集电路，能对传感器的开路和短路故障进行检测、分析、判断和处理和显示，能对传感器供电短路故障进行检测、分析、判断和处理，并采取相应的保护措施。通过电压检测电路和电流检测，能在每台控制器上实时显示出液压支架电液控制系统当前电压值、电流值，使用户随时都能知道每台控制器（含相应的外围设备）在任何时刻的直流供电电压大小及所消耗的电流大小。通过电磁阀供电保护电路，能对电磁阀供电短路故障进行检测、分析、判断和处理，并采取相应的保护措施。现场总线数据传输及通信状态检测电路，对数据传输及通信状态检测、分析、判断、处理和显示电路，可对控制器本身数据收发错误、控制器内部总线开路、控制器架间通信线路开路、控制器无地址、控制器地址重复、控制器无网络等通信故障进行检测、分析、判断、处理和显示。 

附图说明

图1表示本实用新型全工作面液压支架电液控制系统故障综合诊断电路原理框图； 

图2 表示本实用新型单台控制器故障综合诊断电路原理框图；

图3表示本实用新型液压支架电液控制系统传感器数据采集及供电保护电路图；

图4表示本实用新型液压支架电液控制系统电压检测电路图；

图5表示本实用新型液压支架电液控制系统电流检测电路图；

图6表示本实用新型液压支架电液控制系统电磁阀供电保护电路图；

图7表示本实用新型液压支架电液控制系统现场总线数据传输及通信状态检测电路图；

图8表示本实用新型单台控制器通信故障诊断软件流程图；

图9表示本实用新型全工作面液压支架电液控制系统故障综合诊断软件流程图。

具体实施方式

参照图1，全工作面液压支架电液控制系统由数百台液压支架组成，每台支架上安装有一台支架控制器、三支传感器和一个电磁阀驱动器。各控制器采用现场总线连接在一起，利用各控制器内部的微处理器、故障检测及处理电路、现场总线数据传输及通状态信检测电路实现单架控制器故障检测、诊断以及全工作面故障信息的传送，利用各支架控制器内部的键盘及液晶显示器实现各控制器故障信息的详细查询和显示。 

参照图2，本实用新型的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，包括用于传感器数据采集的传感器数据采集电路10；以及电压检测电路20，用于检测控制系统各设备直流供电电压的大小；以及电流检测电路30，用于检测控制器在任何时刻所消耗的电流大小；以及现场总线数据传输及通信状态检测电路40，用于正常工作时数据和命令的传输控制接口，同时对总线运行情况和通信状态进行实时检测；以及电磁阀供电保护电路50，用于给电磁先导阀的驱动提供一个具有短路保护的电源；以及微处理器U1，对来自于传感器数据采集电路、电流检测电路、电压检测电路、现场总线数据传输及通信状态检测电路的信号进行计算，对是否存在故障作出判断；以及键盘及液晶显示器接口处理电路60，用于各控制器故障信息的详细查询和显示。下面，对组成本实用新型的故障综合诊断电路和各部分进行详细说明： 

参照图3，传感器数据采集电路用于传感器数据采集并提供一个具有短路保护的电源，当传感器开路和短路时进行检测、分析、判断和处理和显示，当传感器短路时供电保护开关断开，产生保护动作。传感器数据采集电路10包括：开关电路，接收来自于微处理器的控制信号控制传感器数据采集电路的导通或关断；以及电压跟随器，将来自于传感器输出的电压处理后输出到微处理器。以及使供电电源得到保护的供电保护电路，该供电保护电路连接在开关电路和电压跟随器之间。开关电路由自恢复保险FR2、供电开关Q11、控制开关Q9、电阻R56以及电阻R52组成，当系统传感器过流时恢复保险FR2断路，使供电电源得到保护。供电开关Q11（场效应管）以及控制开关Q9（场效应管）由微处理器U1控制，正常情况下控制开关Q9导通，因此供电开关Q11也就导通。当控制器系统故障时，微处理器U1输出控制信号控制传感器数据采集电路的关断。电压跟随器U11A的输出端连接一个限幅稳压管DZ2，使传感器输出电压Vi不超过微处理器的最大允许输入电压。供电保护电路由开启电阻R64、开启电阻R65、供电开关Q12以及电磁先导阀短路检测开关Q16组成，其电路连接关系由图中所示。当传感器短路时，电压VS变成0V，电磁先导阀短路检测开关Q16截止，供电开关Q12也就截止，供电开关断开，使供电电源得到保护。正常工作时（传感器未短路），VS大于0V，电磁先导阀短路检测开关Q16导通，因供电开关Q12也就导通。传感器输出电压Vi经电压跟随器U11A后输出到微处理器U1，微处理器U1对采集到的电压进行模数转换后，进行分析、计算和判断。

参照图4，电压检测电路包括第一分压电阻R89、第二分压电阻R90以及第一电压跟随器U10B，第一分压电阻R89和第二分压电阻R90串联在电源和信号地之间，第一电压跟随器U10B的同相输入端连接于第一分压电阻R89和第二分压电阻R90结点处。各直流设备的供电电压VO经第一电压跟随器U10B后输出到微处理器U1，微处理器U1对采集到的电压进行模数转换后，进行分析、计算和判断。 

参照图5，电流检测电路包括采样电阻R45、电流检测器U9、第二电压跟随器U10A，自恢复保险FR1、第一瞬态抑制二极管D10以及限幅稳压管DZ1。采样电阻R45连接于电流检测器U9的信号输入端，电流检测器U9的输出端与第二电压跟随器U10A的输入端连接。自恢复保险FR1与采样电阻R45连接，当系统过流时FR1断路，通过自恢复保险FR1使供电电源得到保护。第一瞬态抑制二极管D10连接在自恢复保险FR1与采样电阻R45的结点处与信号地之间，第一瞬态抑制二极管D10用于吸收高能量瞬时过压脉冲，保护电路不被瞬时高压所损坏。在自恢复保险FR1的前端设有防电压反接二极管D1。限幅稳压管DZ1连接在第二电压跟随器U10A的输出端与信号地之间，使输出电压VI不超过微处理器的最大允许输入电压。电流检测电路的工作过程是：通过采样电阻R45对输入的信号进行采样后送入到电流检测器U9，经过电流检测器U9处理后输出的电压VI经第二电压跟随器U10A后输出到微处理器U1进行模数转换后，进行分析、计算和判断。 

参照图6，电磁阀供电保护电路包括第一开启开阻R15、第二开启开阻R16、第一供电开关Q6以及第一电磁先导阀短路检测开关Q5，第一开启开阻R15和第二开启开阻R16并联在第一供电开关Q6的源极和漏极之间，第一供电开关Q6的栅极与第一电磁先导阀短路检测开关Q5的漏极连接，第一供电开关Q6的漏极与第一电磁先导阀短路检测开关Q5的源极连接，第一电磁先导阀短路检测开关Q5的栅极接地。本部分的电路工作过程是：当电磁先导阀短路时，VD变成0V，第一电磁先导阀短路检测开关Q5截止，因此第一供电开关Q6也就截止，供电开关断开，使供电电源得到保护。正常工作时（电磁先导阀未短路），VD大于0V，第一电磁先导阀短路检测开关Q5导通，因此第一供电开关Q6也就导通，供电开关接通。 

参照图7，现场总线数据传输及通信状态检测电路包括：光电耦合器，用于收发微处理器内部CAN控制器，以增强系统的抗干扰能力，光电耦合器为两个，分别是光电耦合器U3和光电耦合器U4。以及连接于光电耦合器输出端的收发器U5，用于CAN控制器与物理总线间的接口，进一步提高系统的驱动能力，增大通信距离，增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。在收发器U5的CANH、CANL端与地之间并联的2个电容C17、电容C19，用于滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。现场总线分裂终端电路以及过压脉冲吸收电路分别连接于收发器输出端。现场总线分裂终端电路由电阻R39、电阻R40以及电容C16组成，电阻R39的一端连接于收发器U5的CANL端，电阻R39的另一端与电容C16连接，电阻R40的一端连接于收发器U5的CANH，电阻R40的另一端与电容C16连接。过压脉冲吸收电路由瞬态抑制二极管D11和瞬态抑制二极管D12组成，用于吸收高能量瞬时过压脉冲，保护电路不被瞬时高压所损坏。 

图8表示了本实用新型液压支架电液控制系统通信故障诊断软件流程图，通信故障主要是指控制器内部本身的通信故障以及控制器之间、控制器与电源适配器（隔离耦合器）之间连接电缆发生断线等故障，控制器内部本身的通信故障主要是指内部通信总线发生断线和掉线故障，断线故障主要是指控制器内部的通信总线出现开路故障，掉线故障主要是指控制器内部的总线控制器出现“能接收但不能发送”或“不能接收和不能发送”两种情况的收发故障。掉线故障有可能是由于总线繁忙引起，当总线空闲时掉线故障就会自动消失，如长时间不能消失时，则控制器内部的总线控制器就有故障。 

通信故障主要有无地址、地址重复和总线故障三种类型，总线故障包括无网络、控制器掉线、控制器断线、控制器之间连接电缆断线、控制器与电源适配器（隔离耦合器）之间连接电缆断线等五种类型。无地址、地址重复和总线故障一起由通信故障检测程序加以检测和判断，无地址和地址重复通信故障要通过总线传送至每台控制器，因此当有这两种故障时，每台控制器都要提示，且提示内容一样。总线故障不通过现场总线发送，因此不可能每台控制器的总线故障提示都一样。当工作面故障排除且延时一段时间后通信故障提示行的故障提示内容被刷新。 

参照图8，通信故障判别时，每台控制器检测通信状态缓存区的所有位，如为全1（不含本控制器位、0、255位），则工作面液压支架电液控制系统无通信故障；如0、255位为1或本控制器地址为0、255，则本控制器具有无地址通信故障。如本控制器位为1，则本控制器具有地址重复通信故障；如所有位为全0（不含本控制器位、0、255位），则本台控制器具有收发数据不正常或内部总线发生断线等无网络通信故障。当所有位不全为0时，则控制器先向左边（支架号减小的方向）判别，然后再向右边（支架号增大的方向）判别。如本控制器位左边有0，则本支架左边有掉线或总线（架间连接电缆）断线通信故障，若左边从1到本控制器位全为1，则本支架左边无通信故障。如本控制器位右边有0，则本支架右边有掉线或总线（架间连接电缆）断线通信故障，若右边从本控制器位到尾架控制器位全为1，则本支架右边无通信故障。 

图9表示了本实用新型全工作面液压支架电液控制系统故障综合诊断的流程，按照本实用新型的控制器具有全面的故障诊断功能，设计有电流检测、电压检测、现场总线数据传输及通信状态检测、电磁阀供电保护，设计有传感器数据采集及供电保护，能对通信故障、电磁阀供电短路故障、传感器故障进行检测和判断，并进行相应的分析和处理，能准确检测并显示出控制器（含相应的外围设备）在任何时刻所消耗的电流大小、直流供电电压大小以及发生通信故障的支架号和故障类型。 

传感器开路和短路故障要通过总线传送至每台控制器，因此每台控制器的传感器开路和短路故障提示一样。当系统有传感器开路和短路故障时，这些控制器除了自身提示出本架故障外，还要将其支架号通过总线发送出去，并设置故障标志，同时启动故障周期发送定时器，定时检查故障情况并通过总线发送，当故障消除时故障标志自动清除，定时器停止。 

通信故障采用报到的方式进行检测和判断，系统上电后，每台控制器周期性地将本架地址通过现场总线发送出去，每隔一段时间判断一次通信状态缓存区的状态，当发现某位状态为0时，则必有一台对应的控制器出现通信故障。无地址和地址重复通信故障要通过总线传送至每台控制器，因此每台控制器的这些通信故障提示内容一样，总线通信故障(无网络、断线和掉线)不通过总线传送，因此每台控制器的总线通信故障提示内容可能不一样。 

Claims (10)

1.液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，包括：用于传感器数据采集的传感器数据采集电路、电压检测电路、电流检测电路、现场总线数据传输及通信状态检测电路、微处理器以及键盘及液晶显示器接口处理电路；所述传感器数据采集电路、电压检测电路、电流检测电路分别连接于微处理器的输入端，所述现场总线数据传输及通信状态检测电路以及键盘及液晶显示器接口处理电路分别连接于微处理器的输出端，微处理器对来自于传感器数据采集电路、电流检测电路、电压检测电路、现场总线数据传输及通信状态检测电路的信号进行计算，对是否存在故障作出判断。

2.根据权利要求1所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，还包括与微处理器连接的电磁阀供电保护电路，用于给电磁先导阀的驱动提供一个具有短路保护的电源。

3.根据权利要求1或2所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述电压检测电路包括第一分压电阻（R89）、第二分压电阻（R90）以及第一电压跟随器（U10B），第一分压电阻（R89）和第二分压电阻（R90）串联在电源和信号地之间，第一电压跟随器（U10B）的同相输入端连接于第一分压电阻（R89）和第二分压电阻（R90）结点处。

4.根据权利要求1或2所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述电流检测电路包括采样电阻（R45）、电流检测器（U9）、第二电压跟随器（U10A），采样电阻（R45）连接于电流检测器（U9）的信号输入端，电流检测器（U9）的输出端与第二电压跟随器（U10A）的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述电流检测电路还包括：自恢复保险（FR1）、第一瞬态抑制二极管（D10）以及限幅稳压管（DZ1），自恢复保险（FR1）与采样电阻（R45）连接，第一瞬态抑制二极管（D10）连接在自恢复保险（FR1）与采样电阻（R45）的结点处与信号地之间，限幅稳压管（DZ1）连接在第二电压跟随器（U10A）的输出端与信号地之间。

6.根据权利要求2所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述电磁阀供电保护电路包括第一开启开阻（R15）、第二开启开阻（R16）、第一供电开关（Q6）以及第一电磁先导阀短路检测开关（Q5），第一开启开阻（R15）和第二开启开阻（R16）并联在第一供电开关（Q6）的源极和漏极之间，第一供电开关（Q6）的栅极与第一电磁先导阀短路检测开关（Q5）的漏极连接，第一供电开关（Q6）的漏极与第一电磁先导阀短路检测开关（Q5）的源极连接，第一电磁先导阀短路检测开关（Q5）的栅极接地。

7.根据权利要求1或2所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述传感器数据采集电路包括：开关电路，接收来自于微处理器的控制信号控制传感器数据采集电路的导通或关断；以及

电压跟随器，将来自于传感器输出的电压处理后输出到微处理器。

8.根据权利要求7所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述传感器数据采集电路还包括：使供电电源得到保护的供电保护电路，该供电保护电路连接在开关电路和电压跟随器之间。

9.根据权利要求1或2所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，现场总线数据传输及通信状态检测电路包括：光电耦合器，用于收发微处理器内部CAN控制器；以及

连接于光电耦合器输出端的收发器（U5），用于CAN控制器与物理总线间的接口。

10.根据权利要求9所述的液压支架电液控制系统的故障综合诊断电路，其特征在于，所述现场总线数据传输及通信状态检测电路包括还包括现场总线分裂终端电路以及过压脉冲吸收电路，现场总线分裂终端电路以及过压脉冲吸收电路分别连接于收发器输出端。

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