一种液压支架电液控制系统及其自组网方法

专利名称：一种液压支架电液控制系统及其自组网方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿综采放顶煤液压支架电液控制系统及该系 统的自组网构成方法。
背景技术：
液压支架电液控制系统是国内外煤炭开采机械化领域中，实现综 采工作面高产高效的关键技术设备，可以大大提高生产效率和自动化 程度。目前我国采用的液压支架电液控制系统主要依赖国外进口。国 外液压支架电液控制技术已发展到较成熟的阶段，该系统在中国、美 国、澳大利亚、德国、波兰、英国、法国、日本、俄罗斯等多个国家已经得到了普遍的应用。目前国际市场上，德国DBT、美国J0Y和德 国MARCO公司产品占据主导地位。图1示出现有液压支架电液控制系统实现方式，主设备与其所属 从设备之间通过线缆连接，主设备之间通过线缆连接，不同电源供电 设备之间通过隔离设备进行连接，从设备可以是控制器分系统、岡体、 传感器等装置，主、从设备个数可为0~n中任何数目，其中n为自 然数，隔离设备个数可以为0~k中的任何数目，其中k为自然数， 各,备间通过，自、"线，单向或双向传，数字或模拟信息。现有技术接方式(一)基于RS232、 RS485、 RS422等串行通信方式的液压支架电液控 制系统其特点为从设备的信息需通过所属主设备才能与其它主设备间 进行交换，主设备之间采用串行通信方式，不同电源供电设备之间需 使用隔离设备。基于该连接方式的液压支架电液控制系统，存在以下 缺点1)当工作面中某一台主设备出现通信故障时，由于该系统中从 设备通过所属主设备实现信息交换，因而导致该从设备与其它设备之 间的信息交换被迫终止，从而将会导致整个工作面的通信故障，影响 生产效率及安全性；2)由于从设备信息需通过所属主设备进行通信， 由此增加了主设备的通信量，降低了系统通信的实时性；3)由于主设 备之间只能依次进行信息传输，要实现整个工作面的信息传输耗时 多，影响系统实时性；4)不同电源供电设备之间需使用隔离装置，增加系统成本，也降低了系统可靠性。(二)基于CAN组网通信方式的液压支架电液控制系统其特点为从设备可作为节点与主设备一起参与组网，不同电源供 电设备之间需使用隔离设备，节点可在不影响其它节点的情况下退出 网络。基于CAN组网通信方式的液压支架电液控制系统，存在以下缺 点l)CAN节点数目有限，如果从设备作为节点参与组网，则网内主 设备数量受限，减小工作面长度，极大地影响工作面的生产效率，若 在不影响生产效率的情况下需采用主从组网方式，但需增加中继或接 口处理环节，进而增加系统成本；2)如果仅主i殳备参与组网，从设备 仍需通过其所属主设备方可实现信息传输，当主设备通信故障时，其 从设备在仍然正常的情况下将会失去作用，影响系统生产效率以及安 全性，且增加主设备的通信量，从而影响通信实时性造成安全隐患； 3)不同电源供电设备之间需使用隔离装置，增加系统成本，也降低了 系统可靠性。发明内容本发明旨在公开一种液压支架电液控制系统及其自组网方法，以 克服上述现有技术中所存在的缺点，提供一个高产高效的液压支架电 液控制系统。本发明提供一种液压支架电液控制系统，所述液压支架电液控制 系统包括由主设备Hl Hn组成的主设备群H,主设备群H中的任意 一个主设备Hx包含从设备Sxl ~ Sxm"所有的从设备组成了从设备群 S;主设备之间的供电及通信媒质群CI及主、从设备之间的供电及通 信媒质群CII，其中主设备之间的供电及通信媒质群CI包含供电及通 信媒质CI1 ~ CIn-l,主设备群H中的任意一个主设备Hx与其所包含 的从设备Sxl ~ Sxmx之间分别通过供电及通信媒质CIIxl ~ CIIxm,进行 连接，所有的主、从设备之间的供电及通信媒质组成了供电及通信媒 质群CII,其中n、 mx为自然数，x为l n的任一自然数。各主设备 所附属从设备个数可相同也可不同，各主设备所附属从设备可以是阀 控分设备也可以是诸如行程传感器、压力传感器、红外传感器或其它 分控制单元。各主设备之间首尾依次串行连接无需隔离设备。在通信上各主设备及至少部分从设备作为网络节点以自组网方 式组成通信网络实现信息通信，各至少部分网络节点被设置为路由节 点。具有路由功能的路由节点与在该路由节点通信范围内的无路由功 能的非路由节点之间构成父子关系，非路由节点通过所属父节点实现 与其他网络节点之间的通信，当非路由节点故障时其父节点标示其通 信状态，当路由节点故障时其所属子节点将重新建立各网络节点之间 的父子关系。主设备及至少部分从设备之间的通信以自组网方式实现，其自组 网通信的通讯媒质可以是通过有线或无线网络进行的。当通讯媒质是有线时，所述控制系统的自组网通信称为基于有线的自组网通信；当通讯媒质是无线时，所述控制系统的自组网通信称为基于无线的自组网通信。各主设备根据自组网通信方式的不同分为基于有线的主设备和基于无线的主设备，组网从设备根据自组网通信方式的不同可分为基于有线的组网从设备和基于无线的组网从设备。对于不参与组网的从设备，本发明提供一种非组网从设备，该从设备包括非组网从设备接口、主控及执行器部分。从设备为传感器 或分控制单元(如阀控等)，当非组网从设备为传感器设备时，主控及 执行器部分包括传感器及处理器，当非组网从设备为阀控分控制单元 时，主控及执行器部分包含处理器、驱动、阀体接口、阀体。其中， 非组网从设备为传感器设备时，若本设备输出信号为模拟或开关信 号，其主控及执行器部分可不包含处理器。非组网从设备接口通过主、 从设备之间的供电及通信媒质群CII中的供电及通信媒质与其所属 主设备的非组网从设备接口相连，此类主、从设备之间的供电及通信 媒质包含电能传输媒质以及仅用于主从设备间通信的连线或无其它模拟或开关信号传递时)，主控及执行器部分与非组网从设备接口通 过内部布线相连以实现电能的供给以及通信或信号的传输，当非组网 从设备与其所属主设备之间以通信方式实现连接时，其通信方式可以 是SPI、 UART、 IIC、 Bluetooth、红外等通信方式。本发明主设备包括键盘部分、显示部分、主控部分及接口部分， 其接口部分包含主设备接口 11~13，非组网从设备接口 I41~I4a， 组网从设备接口 I5(a+1) ~ I5mx，用于实现用于实现与其它主设备、 从设备之间的物理连接、通信物理连接、电能传递。其中主设备接口 12通过主设备之间的供电及通信媒质群CI中的供电及通信媒质与本 主i殳备右相邻主i殳备的主i殳备接口 13相连，主i殳备接口 13通过主i殳 备之间的供电及通信媒质群CI中的供电及通信媒质与本主设备左相 邻主设备的主设备接口 12相连；主设备的非组网从设备接口 141 ~ 14a通过主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中的供电及通信媒 质分别与本主设备所附属的l~a号非组网从设备相连；本主设备的 组网从设备接口 I5(a+1) ~ 15m,通过主、从设备之间的供电及通信媒 质群CII中的供电及通信媒质分别与本主设备所附属的a+l mx号组 网从设备相连。本发明组网从设备包括组网从设备接口、主控及执行器部分。 从设备为传感器或分控制单元(如阀控等)，当组网从设备为传感器设 备时，主控及执行器部分包括传感器及处理器，当组网从设备为阀控 分控制单元时，主控及执行器部分包含处理器、驱动、阀体接口、阀 体。组网从设备接口通过主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中 的供电及通信媒质与其所属主设备的任一组网从设备接口 (I5(a+1) ~ I5mx)相连。当通过无线网络进行通信时所述主设备之间的供电及通信媒质群 CI及参与组网主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中至少部分供通过无^网络进行通S "所述主设备i间"供电丄通信媒质群"c i及一'参与组网主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中至少部分供电及 通信媒质仅包含电源线。另一方面，本发明提供一种液压支架电液控制系统的自组网方 法，各参与组网设备作为独立节点以无线或有线连接方式实现自组网通信，其自组网方法主要通过初始化、网络建立、数据自动路由及网 络自管理三个过程实现。在自组网方法的初始化过程中，主要实现路由节点与非路由节 点、地址的设置。在自组网方法的网络建立过程中，主要实现各路由节点及非路由 节点之间父子关系的确定以及路由节点中邻居表的确定以确定通信网 络拓朴。在数据自动路由及网络自管理过程中，主要实现路由发现及数据的传输，并实现路由节点对其子节点及邻居表中其他路由节点的通信 状态的监测，非路由节点对其父节点通信状态的监测，当非路由节点 故障时其父节点标示其通信状态，当路由节点故障时其所属子节点将重新经历网络建立过程重新建立各节点之间的父子关系以更新通信网 络拓朴，确保在某个或某些节点故障的状态下通过自动路由数据可绕 过故障节点在更新后的通信网络拓朴中的进行传输。 初始化过程包括如下步骤各节点根据所处地理位置、设备主从关系设置一个固定唯一的64
位常地址；各节点设置节点类型，为路由节点设置一个16的位短地址。 网络建立过程包括如下步骤非路由节点向其通信覆盖范围内发送入网请求数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断； 如果路由节点接收到入网请求数据帧，返回入网请求应答数据帧；路由节点发送广播数据帧； 非路由节点接收数据；如果非路由节点接收到入网请求应答数据帧，选择距离近信号好的路由节点作为父节点，向父节点发送入网确认数据帧，并保存父节点信息、设置本节点16位短地址；如果非路由节点没有接收到入网请求应答数据帧，则继续向其覆盖范围内发送入网请求数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断；如果路由节点接收到入网确认数据帧，将此设备节点作为子节点，并将其信息保存在邻居表中；如果路由节点接收到广播数据帧，返回广播数据帧的应答数据帧； 如果路由节点接收到广播数据帧的应答数据帧，根据应答数据帧将其通信覆盖范围内的其它路由节点信息保存在邻居表中。 数据自动路由及网络自管理过程包括如下步骤 非路由节点作为子节点向父节点发送给父节点或其它节点的数 据，或向父节点发送网络维持数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断； 如果路由节点接收到子节点发送的数据帧，检查数据帧的目的地 址如果数据帧的目的地址是自己或在邻居表中，则向子节点返回应 答数据并处理数据或将数据直接转发给目的地址；如果数据帧的目的 地址不是自己也不在邻居表中，则向子节点返回应答数据并保存接收 到的数据，向通信覆盖范围内发送路由请求数据帧；如果路由节点接收到路由请求数据帧，检测路由的目标地址如 果路由请求的目标地址是自己或在邻居表中，则向发送给自己路由请 求且路由跳数较少的路由节点返回路由应答数据帧；如果路由请求的 目标地址不是自己也不在邻居表中，则检查是否已经存在指向相同目 标地址的路由信息，如果已经存在这样的路由信息则不再转发路由请 求，如果不存在这样的路由信息则保存路由信息建立指向发送给自己 路由请求的路由节点的反向路由，将路由请求中的跳数信息加1并向其通信覆盖范围内的其它路由节点转发路由请求；如果路由节点接收到路由应答数据帧，检查自己是否是第一个发 送路由请求的路由节点如果自己不是第一个发送路由请求的路由节 点，则根据建立的反向路由转发路由应答数据帧，并建立指向发送给 自己路由请求的路由接电源的正向路由；如果自己是第一个发送路由 请求的路由节点，建立到发送给自己路由应答的路由节点的正向路由， 并将保存的数据发送给此路由节点；如果路由节点接收到数据帧，检查数据帧的目标地址如果数据 帧的目标地址是自己或在邻居表中，则接收数据或将数据转发给目标 地址节点；如果数据帧的目标地址不是自己也不在邻居表中，则根据 建立的正向路由向下一个路由节点转发数据帧；如果路由节点接收到子节点的通信维持或其它任何数据帧，则与 此子节点通信正常并返回通信维持应答数据，如果没有收到子节点的 通信维持或其它任何数据帧，则与此子节点通信故障并保存此节点的 通信状态；路由节点向其它路由节点发送通信维持帧，并开始定时如果路 由节点在定时内接收到其它节点的通信维持或其它任何数据帧，则与 该节点通信正常；如果路由节点在多次定时内均未接收到节点的通信 维持或其它任何数据帧，则与此节点通信故障，并保存此路由节点的 状态；非路由节点接收数据，如果接收到网络维持应答数据则与父节点 通信正常，如果多次定时内未接收到网络维持应答数据，则与父节点 通信故障，本节点重复网络建立过程。本发明提供的一种液压支架电液控制系统的自组网方法可以是 自行编程实现，也可以是具有所述网络自组织、自动路由、网络自管 理特征的诸如工业Ethernet、 ZigBee、电力线载波等已有协i义栈的 应用。通过本发明提供的液压支架电液控制系统及自组网方法，系统中 各参与組网设备(包括主设备或从设备)作为独立节点参与组网通讯， 实现数据的自动路由、网络自组织自管理，在某一设备或某些设备通 信故障的情况下，可实现网络拓朴的自动更新，数据可在更新后的网 络中进行传输，有效克服现有技术中主设备故障其从设备数据无法进 行通信、主设备故障造成工作面通信故障的问题，在自组网方法中数 据自动路由，各设备的通信数据可通过不同途径进行传输，有效解决 现有技术中数据串行传输、从设备数据需通过主设备进行传输而引起
的通信实时性低的问题，确保非故障节点的通讯畅通，与现有技术相 比本发明提供的液压支架电液控制系统无需隔离装置，有效降低系统 成本，提高系统的安全性与可靠性。


图l是现有技术的液压支架电液控制系统物理连接结构图；图2是本发明液压支架电液控制系统物理连接结构图；图3是本发明基于有线自组网的主设备结构框图；图4是本发明基于有线自组网的从设备结构框图，其中从设备参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控)；图5是本发明基于无线自组网的主设备结构框图；图6是本发明基于无线自组网的从设备结构框图，其中从设备参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控)；图7是本发明基于自组网的从设备结构框图，其中从设备不参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控)；图8示出无线自组网方法的组网及自动路由、网络自管理的实现流程；图9是各节点有线通信网络的物理连接示意图； 图10示出由主设备HI ~ H7及其各自的从设备为例所组成的自组 网网络拓朴图；图11示出在路由节点H4通信故障为例的形成的新的网络拓朴图；为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式
对本发明 作进一步说明。
具体实施方式
图2示出本发明提供的液压支架电液控制系统，该控制系统包括 由主设备Hl Hn组成的主设备群H,主设备群H中的任意一个主设 备Hx包含从设备Sxl Sxmx，所有的从设备组成了从设备群S，其中 n、 inx为自然数，x为l n的任一自然数；该控制系统还包括在主设 备之间的供电及通信媒质群CI及主、从设备之间的供电及通信媒质 群CII，其中主设备之间的供电及通信媒质群CI包含供电及通信媒 质CIl~CIn-l,主设备群H中的任意一个主设备Hx与其所包含的从 设备Sxl ~ Sxmx之间分别通过供电及通信媒质CIIxl ~ CIIxnu进行连 接，所有的主、从设备之间的供电及通信媒质组成了供电及通信媒质 群CII, n、 mx、 x的含义同上。主设备之间通过供电及通信媒质群 CI实现电能的传递以及通信的物理连接，主设备与从设备之间通过 供电及通信媒质群CII实现电能的传递以及通信的物理连接。其中， 各主设备所附属从设备个数可相同也可不同，各主设备所附属从设备 可以是阀控分设备也可以是诸如行程传感器、压力传感器、红外传感 器等传感器设备或其它分控制单元。主设备获取通信信息或通过键盘 获取用户操作指令，并向其它设备(包括主设备和从设备)发送控制指 令或信息；从设备获取环境信息或其它设备(包括主设备和从设备) 信息或控制指令，实现控制或向其它设备(包括主设备和从设备)转发 信息或控制指令。另一方面，在通信上各主、从设备以自组网方式组网实现信息及 控制指令的传递，根据自组网通讯传输媒质的不同可分为基于有线的 和基于无线的自组网通信方式，从设备根据是否作为节点参与组网其 内部结构有所不同，根据自组网通讯传输媒质的不同其主设备、从设 备、主设备与从设备之间的供电及通信媒质、主设备之间的供电及通 信媒质的内部结构有所不同，由此将主设备分为基于有线自组网的 主设备、基于无线自组网的主设备；将从设备分为基于有线的组网 从设备、基于无线的组网从设备、非组网从设备。下面对各种情况下 的主、从设备、各供电及通信媒质的内部结构进行说明图3示出以主设备H2为例的基于有线自组网的主设备结构框图。 基于有线自组网的主设备主要由接口部分、主控部分、显示部分、键 盘等相关部分组成。接口部分主要实现与其它主设备、从设备之间的 物理连接、通信物理连接、电能传递，接口部分中包含主设备接口 II、主设备接口 12、主设备接口 13、非组网从设备接口 I41~I4a、 组网从设备接口 I5(a+l)~I5m。主设备接口 12和I3通过供电及通 信媒质CI1和CI2分别与左邻及右邻主设备的主设备接口 13和主设 备接口 12相连，其中供电及通信媒质CI1和CI2中包含电能传输线 以及作为有线自组网通信媒质的通信线。非组网从设备接口 I41~ I4a 分别通过供电及通信媒质CII21~CII2a与非组网从设备相连，其中 供电及通信媒质CII21~CII2a中包含电能传输线以及仅用于主从设 备的通信(如fC、 UART、 SPI等等)线或模拟信号线或开关信号线或 无其它线(当主从设备之间采用无线通信时)。组网从设备接口 I5(a+1) ~ 15m分别通过供电及通信媒质C42 (a+l) C42m与组网从i殳
备相连，其中供电及通信媒质CII2(a+l) CII2m中包含电能传输线 以及作为有线自组网通信媒质的通信线。在主设备的接口部分内部， 各设备接口的电能传输线通过内部布线相连，主设备接口 12、 13、 组网从设备接口 I5(a+1) ~ I5m的有线组网通信线通过内部布线相 连，主设备接口 II通过内部布线IN1与主设备接口 12、 13、组网从 设备接口 15 (a+l) ~ I5m的电源及组网通信相连，通过内部布线IN2 将电能及组网通信线连入主控部分，并将本主设备作为网络节点连入 网络，各非组网从设备接口 141 ~ I4a的信号或通信线通过内部布线 直接接入本主设备的主控部分进行处理。图4示出以从设备S2 (a+l)为例的基于有线自组网的从设备结构 框图，其中从设备参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控 等)。此类从设备主要由组网从设备接口、主控及执行器部分组成， 通过供电及通信媒质CII2(a+l)与主设备H2的组网从设备接口 15(a+l)连接，供电及通信媒质C112(a+1)中包含电源线以及作为有 线自组网通信媒质的连接线。当从设备为传感器时，主控及执行器部 分包含处理器以及传感器，传感器用于采集信息，处理器用于实现数 据处理、控制以及协议转换。当从设备为阀控分控制单元时，主控及 执行器部分包含处理器、驱动、阀体接口、阀体，处理器用于实现协 议转换、通信信息解析、阀体控制,主控及执行器部分与组网从设备 接口通过内部布线相连以实现电能的供给以及网络通讯信息的传输。图5示出以主设备H2为例的基于无线自组网的主设备结构框图。 基于无线自组网的主设备主要由接口部分、主控部分、显示部分、键 盘等相关部分组成。接口部分主要实现与其它主设备、从设备之间的 物理连接、电能传递，接口部分中包含主设备接口 II、主设备接口 12、主设备接口 13、非组网从设备接口 I41~I4a、组网从设备接口 I5(a+1) ~ I5m2。主设备接口 II通过天线收发无线通信信息并将本主 设备H2作为网络节点接入无线通信网络，主设备接口 12和I3通过 供电及通信媒质CI1和CI2分别与左邻及右邻主设备的主设备接口 13和主设备接口 12相连，其中供电及通信媒质CI1和CI2中仅包含 电能传输线以实现电能的传递。非组网从设备接口 141 14a分别通 过供电及通信媒质CII21~CII2a与非组网从设备相连，其中供电及 通信媒质CII21~CII2a中包含电源线以及仅用于主从i殳备的通信 (如I2C、UART、SPI等等)线或模拟信号线或开关信号线或无其它线(当 主从设备之间采用无线通信时)。组网从设备接口 I5(a+1) ~ 15m2分 别通过供电及通信媒质CII2(a+l) CII2ah与组网从设备相连，其中
供电及通信媒质CII2(a+l) CII2nh中仅包含电能传输线以实现电能 的传递。在主设备的接口部分内部，所有接口的电能传输线相连，非 组网从设备接口中的主从设备通信或模拟信号线或开关信号线接入 主设备控制部分。主设备接口 II通过内部布线IN1引入电能，并通 过内部布线IN2将电能及无线方式传输的信息连入本主设备H2的主 设备控制部分。图6示出以从设备S2 (a+2)为例的基于无线自组网的从设备结构 框图，其中从设备参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控 等)。此类从设备主要由无线组网从设备通信接口 、主控及执行器部 分组成，通过供电及通信媒质ClI2(a+2)与主设备的组网从设备接口 15(a+2)连接实现电能传递，通过天线将本组网从设备S2(a+2)作为 网络节点接入无线网络中。供电及通信媒质ClI2(a+2)中包含电能传 输线以实现电能传递。当从设备为传感器时，主控及执行器部分包含 处理器以及传感器，传感器用于采集信息，处理器用于实现数据处理、 控制以及协议转换。当从设备为阀控分控制单元时，主控及执行器部 分包含处理器、驱动、阀体接口、阀体，处理器用于实现协议转换、 通信信息解析、阀体控制。图7示出以从设备S21为例的基于自组网的从设备结构框图，其 中从设备不参与组网，从设备为传感器或分控制单元(如阀控等)。此 类从设备主要由非组网从设备接口、主控及执行器部分组成，通过供 电及通信媒质CII21与主设备的非组网从设备接口 141连接。供电及 通信媒质CII21中包含电能传输线以及仅用于主从设备间通信的连 线或无其它连线(当主从设备间以无线方式通信时)或信号连线(当主 从设备间为模拟或开关信号传递时)。当从设备为传感器时，主控及 执行器部分包含传感器并可能包含处理器，传感器用于采集信息，当 主从设备以通信方式(如I2C、 RS232、 SPI、无线等等)连接时，主控 及执行器部分包含处理器并用于实现传感器信号转换、数据处理、数 据收发；当主从设备以模拟信号或开关信号连接时，主控及执行器部 分可不包含处理器，传感器输出的模拟或开关信号可直接经由内部布 线通过供电及通信媒质CII21进入主设备。当从设备为阀控分控制单 元时，主控及执行器部分包含处理器、驱动、阀体接口、闹体，处理 器用于实现数据收发、数据解析、阀体控制逻辑实现等。另 一方面，各组网设备(包括组网主设备及组网从设备)作为网络 节点，以自组网方式组成通信网络实现信息通信。网络节点按功能可 分为两种 一种为具有路由功能的设备节点，在这里我们称为路由节
点，另外一种为无路由功能的设备节点，在这里我们称为非路由节点。 其中，路由节点与非路由节点为父子关系，非路由节点只能通过路由 节点即父节点连接到网络，非路由节点只能与其所属的路由节点进行 信息交换，非路由节点之间只能通过路由节点进行信息交换。路由节 点可以与其所附属的非路由节点即子节点、其它路由节点之间进行信息交换，路由节点可以参与路由发现、信息转发、通过连接别的节点 来扩展网络的覆盖范围等。各组网设备(包括主设备及组网从设备) 可被设置为路由节点或非路由节点。图8示出液压电液控制系统自组网方法的实现流程，各参与组网 设备作为独立节点以无线或有线连接方式实现自组网通信，通过初始 化过程、网络建立过程、数据自动路由及网络自管理过程实现液压支架电液控制系统的自ia网方法。1) 初始化过程，包括根据各主设备所处的地理位置、各组网 从设备与各主设备的从属关系，为各节点设置一个唯一的固定的64 位长地址，每一个节点中均保存有整个网络的长地址列表，以确定本 设备节点在整个工作面网络中所处的地理位置，并为各路由节点分配 设置一个16位的短地址。2) 网络建立过程，包括由于传输媒质对信号的衰减作用，不 论是有线的还是无线的传输方式，在没有进行数据转发的情况下每一 个节点都有一个数据传输的最远距离，从而导致每一个节点都有一个 通信覆盖范围，各非路由节点向其通信覆盖范围内发送一个标志为请 求加入网络的数据帧，接收到此数据帧的路由节点将返回一个包含给 此非路由节点分配的16位短地址的应答数据帧，当非路由节点接收 到入网请求的应答数据时，根据接收到的应答数据帧的信号选择一个 最近的路由节点作为其父节点，将本节点的16位短地址设置为其父 节点指定的地址并保存其父节点信息，向父节点发送标志为入网确认 的数据帧，如果非路由节点在发送过入网请求数据后没有收到路由节 点的应答数据，则继续发送入网请求数据，其父节点接收到非路由节 点的确认数据帧后将此非路由节点作为子节点并将其长、短地址等信 息保存在自己的邻居表中；各路由节点向其通信覆盖范围内发送标志 为广播数据的数据帧，各路由节点接收到此数据帧后返回应答数据 帧，各路由节点根据接收到的广播数据的应答数据帧将其通信覆盖范 围内的其它路由节点信息添加并保存在自己的邻居表中，从而建立其 自组网通信网络。3) 数据自动路由及网络自管理过程，包括当一个非路由节点
向另外一个节点发送数据时，由于非路由节点只能与其所属路由节点之间进行通信，该非路由节点将发送给其它节点的数据发送给其父节点，其父节点接收到子节点发送的数据，并查看此数据的目标地址是否是自己或在其邻居表中，如果发现此数据的目标地址为自己或在其邻居表中，则向子节点返回应答数据并处理该数据或将该数据直接转发给目标地址子节点，如果发现此数据的目标地址不为自己也不在其邻居表中，则向子节点返回应答数据并将此数据保存起来且向其通信覆盖范围内发送包含目标地址且标志为路由请求的数据帧，其覆盖范 围内其它各路由节点接收到此路由请求数据后检查目标地址是否为自己或在其邻居表中，如果接收到的路由请求的目标地址既不是自己 也不在邻居表中，且不存在指向同一目标地址的路由信息，则保存诸 如发送给自己路由请求的路由节点地址、目标地址、跳数等路由信息 以建立指向发送给自己路由请求的路由节点的反向路由，并将跳数信 息值加一后向其通信覆盖范围内的其它各路由节点转发路由请求，若 接收到路由请求的路由节点发现其目标地址既不是自己也不在其邻 居表中且已经存在指向同一目标地址的路由信息则不再转发路由请 求，如果路由节点接收到路由请求数据帧后检查到目标地址是自己或 在其邻居表中则向发送给自己路由请求的路由节点返回路由应答数 据帧，接收到路由应答的路由节点如果是第一个发出路由请求的路由 节点，则建立本路由节点到发送给自己路由应答的路由节点的正向路 由，并将数据直接发送给此路由节点，如果接收到路由应答的路由节 点不是第一个发出路由请求的路由节点，接收到路由应答数据帧的路 由节点根据之前转发路由请求时建立的反向路由转发路由应答数据 帧并保存发送路由应答数据的信息以建立指向发送或转发给自己路 由应答的路由节点的正向路由，当第一个发送路由请求的路由节点接 收到路由应答时，保存发送给自己路由应答数据的路由节点信息建立 到该节点的路由并将保存的数据发送给此路由节点，接收到数据的路 由节点检查目的地是否为自己或在邻居表中，如果是则接收数据或将 数据直接转发给子节点，如果不是自己也不在其邻居表中则根据保存 的正向路由向下一个路由节点转发数据，直到第一个发送路由应答的 路由节点接收数据并检查目标地址，如果目标地址是自己则对数据进 行处理，如果目标地址是其子节点则将数据发送给子节点。在网络节点通信故障的情况下通过网络自管理及时调整网络拓 朴更新各路由节点的邻居表以确保网络的通信畅通。各非路由节点定 时向其父节点发送标志为网络维护的数据帧并开始定时，其父节点接
收到此数据帧后返回应答数据，各路由节点向邻近的路由节点发送标 志为网络维护的数据帧并开始定时，各路由节点接收到其邻近路由节 点发送的网络维护数据帧后返回应答数据，当路由节点多次在定时内 未接收到邻居表中某一路由节点的网络维护应答、数据等任一类型数 据帧时，认为该路由节点通信故障并在邻居表中标示出其状态，当路 由节点多次在定时内未接收到其某子节点的网络维持数据帧数据等 任一类型数据帧时，认为该子节点通信故障并在邻居表中标示出其状 态，当非路由节点多次在定时内未接收到其父节点的网络维持应答数 据或其它任一类型数据帧时，认为其父节点通信故障需进行网络拓朴 调整，本非路由节点将重复网络建立过程，即向其通信覆盖范围内发 送标志为请求加入网络的数据帧，接收到此数据帧的路由节点将返回一个包含给此非路由节点分配的16位短地址的应答数据帧，设非路 由点根据接收到的应答数据帧的信号选择一个最近的路由节点作为 其新的父节点，将本节点的16位短地址设置为其新的父节点指定的 地址并保存其父节点信息，向新的父节点发送标志为确认的数据帧， 其新的父节点接收到确认数据帧后将此非路由节点作为新的子节点 并将其长、短地址等信息保存在自己的邻居表中。图9示出由主设备H1~H7,主设备HI所附属组网从设备 Sl(a+1)、 Sl(a+2)，主设备H2所附属组网从设备S2 (a+l) 、 S2 (a+2)， 主设备H3所附属组网从设备S3(a+1)、 S3(a+2),主设备H4所附属 组网从设备S4(a+l) 、S4(a+2),主设备H5所附属组网从设备S5 (a+l)、 S5(a+2),主设备H6所附属组网从设备S6(a+1) 、 S6 (a+2)，主设备 H7所附属组网从设备S7(a+1)、 S7(a+2)组成的网络中各节点的物理 连接示意图，其中Hl、 S2(a+2)、 H4、 S5 (a+2) 、 H7被设置为路由节 点，剩余各节点设置为非路由节点。抛开电能传递上的物理连接，对 于基于有线自组网的液压支架电液控制系统来说，主设备H1~H7通 过内部布线IN1中的通信线、主设备之间的供电及通信媒质中的通信 线将各主设备的组网通信连接在一起，通过主、从设备之间的供电及 通信媒质中的通信线将主设备与从设备连接在一起，从而实现基于有 线自组网的液压支架电液控制系统中任意组网设备(包括主设备及组 网从设备)间的通信线物理连接。对于基于无线自组网的液压支架电 液控制系统来说，抛开电能传递上的物理连接，各组网设备(包括主 设备及组网从设备)间以无线方式实现通信的物理连接。信息传递的 网络连接这里称为网络拓朴，网络拓朴与各设备的物理连接组成的网 络不同，网络拓朴反应出各设备节点间数据交换的关系，网络拓朴中 只有相连接的节点之间才能进行数据交换即通信。图10示出通过初始化以及网络建立过程以后，由主设备H1 H7 及其各自的从设备所组成的自组网网络拓朴，其中Hl、 H4、 H7、 S2(a+2)、 S5(a+2)被指定为路由节点，非路由节点Sl (a+l) 、 Sl (a+2) 的父节点为Hl，非路由节点S2(a+1)、 H2、 H3、 S3(a+1)的父节点为 S2(a+2)，非路由节点S3(a+2)、 S4 (a+l) 、 S4 (a+2)的父节点为H4, 非路由节点S5(a+1) 、 H5、 H6、 S6 (a+l)的父节点为S5 (a+2),非路由 节点S6(a+2)、 S7(a+1)、 S7(a+2)的父节点为H7。路由节点S2 (a+2)、 H4在路由节点Hl的通信覆盖范围以内，路由节点H1、 H4、 S5(a+2) 在路由节点S2(a+2)的通信覆盖范围以内，路由节点Hl、 S2(a+2)、 S5(a+2)、H7在路由节点H4的通信覆盖范围以内，路由节点S2 (a+2)、 H4、H7在路由节点S5 (a+2)的通信覆盖范围以内，路由节点H4、S5 (a+2) 在路由节点H7的通信覆盖范围以内。由此，路由节点Hl可建立节点 S2 (a+l) 、 H4、 Sl (a+l) 、 Sl (a+2)相关信息的邻居表，路由节点S2 (a+2) 可建立节点H1、 H4、 S5(a+2)、 S2 (a+l) 、 H2、 S2 (a+2) 、 H3、 S3(a+1) 相关信息的邻居表，路由节点H4可建立节点Hl、 S2(a+2)、 S5 (a+2)、 H7、 S3 (a+2) 、 S4 (a+l) 、 S4 (a+2)相关信息的邻居表，路由节点S5 (a+2) 可建立节点S2(a+2)、 H4、 H7、 S5 (a+l) 、 H5、 H6、 S6(a+1)相关信息 的邻居表，路由节点H7可建立节点H4、 S5(a+2)、 S6 (a+2) 、 S7 (a+l)、 S7(a+2)相关信息的邻居表。以从非路由节点Sl(a+1)到节点S7(a+1)的数据发送过程为例对 数据的自动路由过程进行详细说明，非路由节点Sl(a+1)将数据发送 给其父节点Hl，路由节点Hl发现本数据的目的地既不是自己也不在 自己的邻居表中，向其通信覆盖范围内的其它路由节点发送标志为路 由请求的数据帧，路由节点S2(a+2)、 H4接收到此路由请求数据帧后 检测到要求的目的地址既不是自己也不在邻居表中且没有接收到指 向其目的地的其它路由请求，则将路由请求中的跳数信息加1并向其 通信覆盖范围内的其它路由节点转发路由请求，同时将路由请求的目 的地址、发送路由请求的路由节点Hl的地址、跳数信息进行保存以 建立到Hl的反向路由。路由节点S2(a+2)通信覆盖范围内的路由节 点H1、 H4、 S5(a+2)接收到转发的路由请求数据帧后检测保存的路由 信息中是否已经存在指向相同目的地的路由信息，路由节点Hl、 H4 检测到存在这样的路由信息则不再转发路由请求，S5 (a+2)检测到不 存在这样的路由信息并检查到其目的地址不是自己也不在自己的邻 居表中，则将路由请求中的跳数信息加1并向其通信覆盖范围内的其
它路由节点转发路由请求，同时将路由请求的目的地址、发送路由请求的路由节点S2(a+2)的地址、跳数信息进行保存以建立到S2(a+2) 的反向路由；路由节点H4通信覆盖范围内的路由节点Hl、 S2(a+2)、 S5(a+2)、 H7接收到H4转发的路由请求数据帧后检测保存的路由信 息中是否已经存在指向相同目的地的路由信息，路由节点Hl、 S2(a+2) 、 S5(a+2)检测到存在这样的路由信息则不再转发路由请求， H7检测到不存在这样的路由信息或检查到由H4发送的路由请求的跳 数较少且检查到其目的地址在自己的邻居表中，则向H4返回路由请 求应答，路由节点H4接收到路由应答后根据保存的指向Hl的反向路 由向Hl转发路由应答并保存H7的信息以建立指向H7的正向路由， Hl接收到H4返回的路由应答后保存H4的信息以建立指向H4的正向 路由并将保存的子节点Sl(a+1)发送的数据按照HI-H4-H7的路由 进行转发，H7收到数据后再将数据转发给存在于其邻居表中的目标 节点S7(a+1)。以既为主设备又为路由节点的H4发生故障为例对自组网方法的 网络自管理过程进行详细说明，当非路由节点S3(a+2)、 S4(a+1)、 S4(a+2)多次向其父节点H4发送标志为网络维持的数据帧而没有接 收到应答或其它类型数据帧时，向其通信覆盖范围内发送标志为请求 入网的数据帧并接收到路由节点S2(a+2)、 S5(a+2)返回的应答数据 帧，非路由节点S3(a+2)、 S4(a+1)选择距离较近的路由节点S2(a+2) 作为其新的父节点，将自己的16位短地址设置为路由节点S2(a+2) 指定的地址并发送确认数据帧且保存其新的父节点信息，S2(a+2)接 收到S3(a+2)、 S4(a+1)发送的确认数据帧后将两个新的子节点的信 息保存到邻居表中，S4(a+2)选择距离较近的路由节点S5(a+2)作为 其新的父节点，将自己的16位短地址设置为路由节点S5(a+2)指定 的地址并发送确认数据帧且保存其新的父节点信息，S5(a+2)接收到 S4(a+2)发送的确认数据帧后将此新的子节点的信息保存到邻居表 中，从而形成新的网络拓朴，图11示出在路由节点H4通信故障的情 况下形成的新的网络拓朴，其中非路由节点Sl(a+1)、 Sl(a+2)以路 由节点Hl为父节点，非路由节点S2(a+1)、 S3(a+1)、 S3(a+2)、 S4(a+1)、H2、H3以路由节点S2(a+2)为父节点，非路由节点S4 (a+2)、 S5(a+1)、 S6(a+1)、 H5、 H6以路由节点S5 (a+2)为父节点，非路由节 点S6(a+2)、 S7(a+1)、 S7 (a+2)以路由节点H7为父节点，以此组成 新的网络拓朴，在新的网络拓朴下非路由节点Sl(a+1)可以通过 Hl-S2 (a+2)-S5 (a+2) -H7-S7 (a+2)的路径将信息绕过通信故障的作为
主设备的节点H4传递给节点S7(a+2)，从而保证通信的顺畅。基于自组网的液压支架电液控制系统网络容量大可以达到65535个 节点，其自组网方法通过其网络自组织、自管理、自动路由的特性，解 决了液压支架电液控制系统现有技术中存在的当工作面中某一台主设备 出现通信故障时，会导致整个工作面的通信故障，主设备的通信量大， 主设备之间只能依次进行信息传输，不同电源供电设备之间需使用隔离 装置等问题，提高了系统的安全性、可靠性以及生产效率。
权利要求
1、一种液压支架电液控制系统，所述系统包括由主设备H1～Hn组成的主设备群H，主设备群H中的任意一个主设备Hx包含从设备Sx1～Sxmx，所有的从设备组成了从设备群S；主设备之间的供电及通信媒质群CI及主、从设备之间的供电及通信媒质群CII，其中主设备之间的供电及通信媒质群CI包含供电及通信媒质CI1～CIn-1，主设备群H中的任意一个主设备Hx与其所包含的从设备Sx1～Sxmx之间分别通过供电及通信媒质CIIx1～CIIxmx进行连接，所有的主、从设备之间的供电及通信媒质组成了供电及通信媒质群CII；其中n、mx为自然数，x为1～n的任一自然数；主设备之间通过供电及通信媒质群CI实现电能的传递以及通信的物理连接，主设备与从设备之间通过供电及通信媒质群CII实现电能的传递以及通信的物理连接；其特征在于各主设备之间首尾依次串行连接无需隔离设备；主设备及至少部分从设备作为网络节点以自组网方式组成通信网络实现信息通信，至少部分网络节点被设置为路由节点；具有路由功能的路由节点与在该路由节点通信范围内的无路由功能的非路由节点之间构成父子关系，非路由节点通过所属父节点实现与其他网络节点之间的通信，当非路由节点故障时其父节点标示其通信状态，当路由节点故障时其所属子节点将重新建立各网络节点之间的父子关系。
2、 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述主设备及 至少部分从设备之间的通信是通过有线或无线网络进行的，当通过有 线网络进行通信时所述主设备之间的供电及通信媒质群CI及所述参 与组网主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中至少部分供电及通信媒质包含电源线以及作为有线自组网通信媒质的连接线；当通过无 线网络进行通信时所述主设备之间的供电及通信媒质群CI及所述参 与组网主、从设备之间的供电及通信媒质群CII中至少部分供电及通 信媒质仅包含电源线。
3、 根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于任一所述主设 备包括接口部分，其包括主设备接口 (11、 12、 13)、非组网从设备接口 (I41~I4a)、组网从设备接口 (15 (a +1) ~I5mx),用于实现与其 它主设备、从设备之间的物理连接、通信物理连接、电能传递； 主控部分，用于控制该主设备； 所述从设备包括接口部分，通过所述主、从设备之间的供电及通信媒质与所述任 一主设备的组网从设备接口 U5(a+1) 15mx中任一)连接； 主控及执行器部分，用于控制该从设备。
4、 根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于所述从设备可 以是传感器或分控制单元。
5、 根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于主设备及至少 部分从设备之间的通信是以自组网方式实现，其自组网通信的通讯媒 质可以是有线的也可以是无线的；通讯媒质是有线时，所述控制系统 的自组网通信称为基于有线的自组网通信；通讯媒质是无线时，所述 控制系统的自组网通信称为基于无线的自组网通信。
6、 根据权利要求1或5所述的控制系统，其从设备可以作为网 络节点参与组网，参与组网的从设备根据自组网通信传输媒质的不同可分为基于有线的组网从设备和基于无线的组网从设备，从设备也可 以不参与组网这里称为非组网从设备；主设备作为网路节点参与组网，根据自组网通信传输媒质的不同 可分为基于有线的主设备和基于无线的主设备。
7、 根据权利要求6所述的非組网从设备可以是压力传感器、直线 位移传感器、红外传感器，也可以是阀控。
8、 —种如权利要求l-7任意之一所述的液压支架电液控制系统的 自组网方法，其特征在于包括如下过程1) 初始化过程，实现路由节点与非路由节点、地址的设置；2) 网络建立过程，实现各路由节点及非路由节点之间父子关系的确定 以及路由节点中邻居表的确定以确定通信网络拓朴；3)数据自动路由及网络自管理过程，实现路由发现及数据的传输， 并实现路由节点对其子节点及邻居表中其他路由节点的通信状态的监 测，非路由节点对其父节点通信状态的监测，当非路由节点故障时其 父节点标示其通信状态，当路由节点故障时其所属子节点将重新经历 网络建立过程重新建立各节点之间的父子关系以更新通信网络拓朴， 确保在某个或某些节点故障的状态下通过自动路由数据可绕过故障节 点在更新后的通信网络拓朴中的进行传输。
9、 根据权利要求8所述自组网方法，其特征在于所述的初始化 过程还包括如下步骤 各节点根据所处地理位置、设备主从关系设置一个固定唯一的64 位常地址；各节点设置节点类型，为路由节点设置一个16的位短地址。
10、 根据权利要求9所述自组网方法，其特征在于所述的网络 建立过程还包括如下步骤非路由节点向其通信覆盖范围内发送入网请求数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断；如果路由节点接收到入网请求数据帧，返回入网请求应答数据帧；路由节点发送广播数据帧；非路由节点接收数据；如果非路由节点接收到入网请求应答数据帧，选择距离近信号好 的路由节点作为父节点，向父节点发送入网确认数据帧，并保存父节 点信息、设置本节点16位短地址；如果非路由节点没有接收到入网请求应答数据帧，则继续向其覆 盖范围内发送入网请求数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断；如果路由节点接收到入网确认数据帧，将此设备节点作为子节点，并将其信息保存在邻居表中；如果路由节点接收到广播数据帧，返回广播数据帧的应答数据帧； 如果路由节点接收到广播数据帧的应答数据帧，根据应答数据帧将其通信覆盖范围内的其它路由节点信息保存在邻居表中。
11、 根据权利要求8、 9或10所述自组网方法，其特征在于所 述的数据自动路由及网络自管理过程还包括如下步骤非路由节点作为子节点向父节点发送给父节点或其它节点的数 据，或向父节点发送网络维持数据帧；路由节点接收数据，并对接收到的数据进行判断；如果路由节点接收到子节点发送的数据帧，检查数据帧的目的地 址如果数据帧的目的地址是自己或在邻居表中，则向子节点返回应 答数据并处理数据或将数据直接转发给目的地址；如果数据帧的目的 地址不是自己也不在邻居表中，则向子节点返回应答数据并保存接收 到的数据，向通信覆盖范围内发送路由请求数据帧；如果路由节点接收到路由请求数据帧，检测路由的目标地址如 果路由请求的目标地址是自己或在邻居表中，则向发送给自己路由请 求且路由跳数较少的路由节点返回路由应答数据帧；如果路由请求的 目标地址不是自己也不在邻居表中，则检查是否已经存在指向相同目 标地址的路由信息，如果已经存在这样的路由信息则不再转发路由请 求，如果不存在这样的路由信息则保存路由信息建立指向发送给自己 路由请求的路由节点的反向路由，将路由请求中的跳数信息加1并向其通信覆盖范围内的其它路由节点转发路由请求；如果路由节点接收到路由应答数据帧，检查自己是否是第一个发 送路由请求的路由节点如果自己不是第一个发送路由请求的路由节 点，则根据建立的反向路由转发路由应答数据帧，并建立指向发送给 自己路由请求的路由接电源的正向路由；如果自己是第一个发送路由 请求的路由节点，建立到发送给自己路由应答的路由节点的正向路由， 并将保存的数据发送给此路由节点；如果路由节点接收到数据帧，检查数据帧的目标地址如果数据 帧的目标地址是自己或在邻居表中，则接收数据或将数据转发给目标 地址节点；如果数据帧的目标地址不是自己也不在邻居表中，则根据 建立的正向路由向下一个路由节点转发数据帧；如果路由节点接收到子节点的通信维持或其它任何数据帧，则与 此子节点通信正常并返回通信维持应答数据，如果没有收到子节点的 通信维持或其它任何数据帧，则与此子节点通信故障并保存此节点的 通信状态；路由节点向其它路由节点发送通信维持帧，并开始定时如果路 由节点在定时内接收到其它节点的通信维持或其它任何数据帧，则与 该节点通信正常；如果路由节点在多次定时内均未接收到节点的通信 维持或其它任何数据帧，则与此节点通信故障，并保存此路由节点的 状态；非路由节点接收数据，如果接收到网络维持应答数据则与父节点 通信正常，如果多次定时内未接收到网络维持应答数据，则与父节点 通信故障，本节点重复网络建立过程。
12、 根据权利要求8所述的一种液压支架电液控制系统的自组网 方法，可以是自行编程实现，也可以是具有所述网络自组织、自动路 由、网络自管理特征的已有协议栈的应用。
13、 才艮据权利要求12所述的已有协"R栈可以是Ethernet, ZigBee、电力线载波协议栈。
全文摘要
本发明公开一种液压支架电液控制系统及其自组网方法，该系统主要由主设备群H、从设备群S、主设备之间的供电及通信媒质群CI、主、从设备之间的供电及通信媒质群CII组成，各主设备之间首尾依次串行连接无需隔离设备，主设备及至少部分从设备以自组网方式组成通信网络实现信息通信；各参与组网设备作为独立的网络节点参与组网，通过自组网方法经过初始化过程、网络建立过程、数据自动路由及网络自管理过程实现自组网网络的自组织、自动路由及网络自管理，解决了煤矿综采放顶煤液压支架电液控制系统现有技术中需隔离、设备故障导致系统通讯故障等问题，提高了系统的安全性、可靠性以及生产效率。
文档编号E21D23/12GK101392656SQ200710195189
公开日2009年3月25日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者张东来, 鑫 马 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院