专利名称：：全自动采煤生产线液压支架电液控制器的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种全自动采煤生产线上的液压支架控制器。
背景技术：
：目前，全自动采煤生产线上的液压支架控制系统完全依赖进口，我国目前主要使用的是德国DBT和美国JOY公司液压支架电液控制系统，其结构复杂、成本高，且上位机英文界面操作困难。
实用新型内容鉴于上述，本实用新型的目的是提供一种全自动采煤生产线液压支架电液控制器，它便于工作人员操控、可以减低煤矿企业的成本。为此，本实用新型采用以下技术方案一种全自动采煤生产线液压支架电液控制器，它包括一台主控计算机，用于控制系统的工作；若干台支架控制器，按每个液压支架对应一台支架控制器配备，用于控制液压支架的动作；若干传感器，用于检测液压支架的状态并发送给该液压支架所配备的支架控制器；主控计算机与各支架控制器之间以及各支架控制器之间用通讯电缆连接。其中每台支架控制器为由CPU板、按键板、显示板、输出板、电磁阀驱动器构成的微型计算机；所述按键板接CPU板的键盘接口；所述显示板接CPU板的显示接口；所述输出板接CPU板的输入/输出接口；所述电磁阔驱动器接CPU板的通讯接口；所述传感器的输出经输出板接入CPU板的输入/输出接口；所述主控计算机通过输出板与输出板所在的支架控制器通讯；所述支架控制器通过自己的输出板与相邻的支架控制器通讯。在本实用新型的实施措施中在所述CPU板中，CPU为Atmegal28L芯片，该芯片的128KFlash中存储应用程序和固定数据，4KSRAM实现数据交换，4KEEPROM实现数据记忆存储，两个UART串口实现与相邻支架控制器的数据通讯，用10位ADC实现压力与位移的传感器检测，用模拟比较器实现红外检测，用TWI接口实现与电磁阀驱动控制器的通讯，并通过协议收发器和电平转换器扩展一个CAN接口，实现与主控计算机的通讯。在所述显示板中，使用HDSP-2112显示模块。在所述按键板中，采用8279扫描键盘芯片，每一个按键都采用刚性弹片粘接在电路板上。所述输出板采用四芯防水连接器连接外围设备，该板上连接总线连接器、左右相邻的支架控制器、红外接收器、左右立柱压力传感器、位移传感器。所述电磁阀驱动器采用两片PCA9555芯片，PCA9555是I2C接口扩展16位GPIO的芯片，所述CPU板上CPU的TWI接口分别与两片PCA9555通讯接口并连，用AO,Al实现地址分配。所述扩展CAN接口由CAN协议收发器SJA1000和CAN电平转换器PCA83C250构成，收发器与电平转换器间采用光耦6N137实现电气隔离。本实用新型液压支架控制器有如下优点1)图形化界面，操作方便；2)上位机提供中文操作界面，便于工作人员操控；3)系统应用程序用C语言编写，执行效率高，可移植性强；,4)硬件系统采用采用模块化，板块卡设计，便于维护和升级。图1为本实用新型的构成示意图2为液压支架电控系统网络结构图3为支架控制器的硬件结构图4为CPU板的电路原理框图5为CPU板的电源电路图6为CPU板的扩展CAN接口电路原理图7为显示板的电路图；图8为输出板外接设备连接示意图；图9为PCA9555典型应用电路；图10为P82B96典型应用电路；图ll为软件系统结构图。具体实施方式以下结合附图作进一步说明。本实用新型为全自动采煤生产线上的液压支架控制器。如图1所示，它包括一台主控计算机，用于控制系统的工作；若干台支架控制器，按每个液压支架对应一台支架控制器配备，用于控制液压支架的动作；若干传感器，用于检测液压支架的状态并发送给该液压支架所配备的支架控制器；主控计算机与各支架控制器之间以及各支架控制器之间用通讯电缆连接。由于井下一个工作面的液压支架数量至少为110台以上，而每台液压支架具有3个传感器和5个液压阀。按常规方式将具有大量的控制线和电源线，因此必须采用先进的现场总线型通信控制方式。具体要求如下-网络结构设计要求井下网络以两级较为合适，即一级高速主干网下接一级低速(设备级)现场总线网。甲烷超限、报警、断电等紧急操作应能由设备级现场总线自主操作。主干网采用光纤或同轴电缆作媒体，应能同时传输多媒体信息。传输距离设计要求根据矿井巷道要求，主干网传输距离应大于IOkm，设备级现场总线的传输距离能达广2km。考虑到对于监控规模较小的矿井应能省去主干网，而仅用一级低速现场总线，其传输距离则也应达IOkm以上。响应时间设计要求对安全监控，考虑到瓦斯突出矿井的要求，响应时间应在ls以下。对生产监控应在数十毫秒数量级。本安特性与供电设计要求总线应能满足本质安全要求或经简单的改造后，能满足本质安全要求，低速总线应能给被连接的现场设备直接供电或共缆供电。抗干扰能力和对恶劣环境的适应能力设计要求矿井的电磁干扰较强，温、湿度环境差。因总线距离长，加于收发器上的共模电压较高，现场总线设备应能满足要求或经改造后能满足要求。综合上述考虑，为保证数据传输的实时性，准确性和可靠性等要求，在数据通信组网方式上要求如下三种组网方式1)要求实现与DBT兼容通信组网方式，以保证产品功能测试的可信度。2)要求实现高可靠性和高稳定性的嵌入式Ethernet数据传输通信组网方式。3)要求实现可自组网的CAN-bus数据传输通信组网方式。请参阅图2所示的液压支架电控系统网络结构图。其中PM4即为本实用新型的支架控制器，它与德国DBT公司的液压支架电液控制系统兼容，IA为总线隔离器，PS为供电电源，PA为电源适配器。一台电源供给8台支架控制器。每个电源所供电的组之间由总线隔离器IA在电气上隔离两个电源。请参阅图3。每台支架控制器为由CPU板、按键板、显示板、输出板、电磁阀驱动器构成的微型计算机。其中按键板接CPU板的键盘接口；显示板接CPU板的显示接口；输出板接CPU板的输入/输出接口；电磁阀驱动器接CPU板的通讯接口；传感器的输出经输出板接入CPU板的输入/输出接口；主控计算机通过输出板与输出板所在的支架控制器通讯；支架控制器通过自己的输出板与相邻的支架控制器通讯。按键板、显示板、CPU板和输出板嵌入到一个矿用防爆机箱中，电磁阀驱动器通过高强度电缆与控制器输出板连接。输出板中还有一些传感器接口，左右邻架通讯接口等。下面分别介绍支架控制器的各组成单元。CPU板——请参阅图4所示的CPU板电路原理框图。在该CPU板中，选择Atmegal28L芯片作为CPU。该芯片为8位精简指令集微处理器，有128KFlash,实现应用程序和固定数据的存储；分别有4KSRAM实现数据交换，4KEEPR0M实现数据记忆存储；有两个UART串口实现分别与左右相邻的支架控制器之间的数据通讯；有8个10位ADC，用其中两个实现压力与一个位移的传感器检测；有l个模拟比较器实现红外检测；有TWI接口实现与电磁阀驱动控制器的通讯；扩展一个CAN接口，实现与上位计算机的通讯。此处对本板重点电路设计做一些阐述。电源由于供电电源电压为+12V，而很多芯片都是用+5V，所以需要将+12V调整到+5V，本实用新型采用LM1806实现。LM1806只需4个外部元件，可以输出最大3A电流，具有效率高，过热保护和限流保护等特点。具体电路如图5所示。复位电路ATmegal28有以下5个复位源上电复位，当电源电压低于上电复位门限(VP0T^.4V)时，MCU复位。外部复位，当引脚RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度(l.5us)时MCU复位。看门狗复位，当看门狗使能并且看门狗定时器超时时复位发生。掉电检测复位，当掉电检测复位功能使能，切电源电压低于掉电检测复位门限(BODLEVEL=0，VB0T=4.0\BODLEVEL=1，VB0T=2.6V)时MCU即复位。JTAGAVR复位，当复位寄存器为1时MCL'即复位。CAN接口扩展为了实现液压支架控制器的数据实时监控，每台液压支架控制器都需要把数据实时传输到井上监控中心，这就需要一个传输距离远、传输速度快的现场总线。本实用新型采用CAN2.0总线实现整个工作面的数据上传。如图6所示即为CAN接口电路原理图。其中SJA1000为CAN协议收发器，PCA83C250为CAN电平转换器，收发器与电平转换器间采用光耦6N137实现电气隔离。显示板一一使用HDSP-2112显示模块，它支持8个5X7点阵的LED显示，模块内部的ROM中有128的ASCII字库，并有16个可由用户定制的字符，可用來显示特定的符号或像标(比如公司的Logo)。显示亮度分七个等级，可以任意调剂，并可设在低功耗模式。与CPU的通讯为并行接口，就像控制8155—样简单。HDSP-2112引脚定义如表1所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1由以上定义可以设计出CPU与HDSP-2112接口的典型电路原理图(如图7)。显示板同时还有25个按键指示灯和1个状态指示灯。其中24个按键指示灯由8255PA、PB、PC口输出控制，对相应口送控制字即可点亮所控LED。另外1个ENTER按键指示灯和状态指示灯直接由Atmegal28口线控制。按键板----按键板设计中采用8279扫描键盘采用译码扫描线(4X8键键盘)，每按一下按键，就产生一个表示按键位置的6位编码。按键的位置信息以及字型变换和控制状态都被存储在FIFO中。所有按键都以两键连锁或N键巡回的方式自动回跳。8279具有40个引脚，采用双列直插式封装，其引脚功能定义如下。DB0-7是双向外部数据总线。用于传送8279与CPU之间的命令、数据和状态。可直接与MCS的数据线连接。/CS为低电平时，CPU才选中8279芯片，并对其进行操作。A0区分信息的特性位。当AO为1时，CPU写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态。当A0为0时，1/0信息都为数据。/RD，/WR是读、写选通信号，低电平有效。IRQ为中断请求输出线。高电平有效。在键盘工作方式下，当FIF0/传感器RAM中有数据时，此中断线变高电平。在FIF0/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线又重新变为高电平。在传感器工作方式中，每当传感器信号变化时，中断线就变为高电平。RL0RL7为反馈输入线，作为键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。SL03为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。0L'TB03，0UTA03为显示段数据输出线，可分别作为两个半字节输出，也可作为8位段数据输出口，此时OUTB0为最低位，0UTA3为最高位。/BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，将显示消隐。RESET为复位输入线，高电平有效。每一个按键都是采用刚性弹片粘接在电路板上，可靠耐用。输出板--一如图8所示。输出板提供控制器与外围设备的接口，它采用四芯防水连接器连接外围设备，该板上连接总线连接器、左右相邻的支架控制器、红外接收器、左右立柱压力传感器、位移传感器等。电磁驱动器--一电磁驱动器可以连接22个电磁阀组，可以监测控制器、转换线路间的数据传输以及检查信息的有效性。驱动器的中央设置3个LED连续监控其功能，并给出下列指示绿正常的12V电压；黄传递数据正确；红传递数据错误。电磁驱动器采用I2C总线与控制器的TWI接口通讯，通过串并转换扩展控制10。本板采用PCA9555芯片(两片共提供32个10)，PCA9555是12C接口扩展16位GPI0的芯片，工作电压2.3到5.5V，片内有四个寄存器，分别是配置寄存器、极性倒置寄存器、输入寄存器、输出寄存器。有中断和复位引脚，皆为低电平有效。在I2C接口上有噪声滤波器，SCL频率为0KHz400KHz。CPU的TWI接口分别与两片PCA9555通讯接口并连，用AO，Al实现地址分配。PCA9555引脚定义见表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2工作原理先将PCA9555的I/O置于输入模式。发送控制字到指定的PCA9555的输出寄存器，再将控制字从输出寄存器中读回，如果与发送的控制字一致，则将1/0置为输出模式，实现控制字输出。图9为PCA9555典型应用电路。请参阅图10。本板还采用P82B96提高I2C总线的传输电压和传输距离，提高抗干扰能力。400KHz时提高I2C通讯距离至少到20m，当线路电压提高到15V时，通讯距离可提高到350m。下面说明系统工作过程电源模块完成12V到5V的电压转换，为液压支架控制系统的运行提供电力保障。此后用户通过按键模块8279实现其输入指令，控制支架控制器的动作，按键指示模块为了指示按键是否有效按下，用8155控制LED实现。显示模块HDSP2112用于显示操作菜单，并指示用户的指令执行的情况。CPU模块接收按键模块输入的指令后，指挥相应的电磁先导阀动作。串行通讯模块将CPU的两个串口转换为232接口，实现与本控制器相邻的左右支架控制器通讯，实现邻架控制、构成整个工作面所有支架控制器的串行通讯通道。CAN通讯模块用于完成支架控制器与上位机的通讯。I2C通讯模块利用CPU的TWI接口实现，通过I2C通讯模块可以实现对电磁阀驱动器指令传输，实现对相应电磁先导阀的控制。AD转换模块实现对支架控制器工作状况的监测，并将监测结果显示给操作人员。中断模块完成外部中断的处理，实现液压支架控制器的应急响应的机制。电磁阀驱动器实现与控制器通讯的TWI接口，并将接收的控制信号，译码实现对各个电磁阀通断的控制。上述支架控制器是一个专用的微型控制计算机，设计要求它存储并运行程序，直接指挥本支架的所有动作，采集本支架传感器的检测数据。按键、字符显示屏、LED、蜂鸣器等构成人机交互界面，实施按键操作，发出控制命令，显示、发出各种信息。多种通信接口执行与邻架和全工作面其他支架控制器及主控计算机互传信息进行数据通信，实现自动控制和监测功能。控制程序可在线通过按键操作方便地设置、输入或修改，可在线装入新的应用程序，为快捷修改调整程序提供了条件。整个支架控制系统软件由两部分构成，一是底层的驱动程序，二是上层的应用程序。底层的驱动程序将整个硬件系统驱动，完成显示初始化、按键初始化、网络通讯初始化等基本功能，只要硬件平台不变，底层的驱动程序也基本是不改变的。上层应用程序进行系统支架动作控制、数据采集和处理、系统错误检测等。程序之所以要分层设计，主要考虑的是液压支架对不同矿井煤层状况的适应性，不同煤矿只要针对其特定要求修改上层参数即可。软件系统结构如图11所示。在软件的配合下，本实用新型具有以下功能单台支架手动操作功能--一操作者在任意一个支架上，选定左邻架或右邻架为被控支架，按操作键对该支架进行相应动作控制。具体的手动操作功能包括立柱升降、推遛、拉架、平衡缸伸缩、护帮板伸缩、侧护板伸縮、底座缸升降、喷雾(辅助采煤机喷雾)、补液或补压。单台支架"降一移一升"自动顺序控制功能--一由于支架具有抬底座装置，为了简化操作，在控制器上专设有快捷键，可实现支架降柱、抬底座、移架同时进行的功能。单台支架的多动作顺序联动控制功能一一操作者可以选定左邻架或右邻架为被控支架，控制器即将"降一移一升"三个支架主动作和与之关联的其他动作(护帮板伸縮、底座升降、平衡缸动作)协调连贯起来合成一个大动作，自动按程序执行。在自动"降一移一升"过程中，要求液压系统对平衡缸采用双向锁。通过电控程序控制，实现平衡缸的随动控制，并在支架顶梁接触顶板后，实现平衡缸的差动，保持顶梁水平状态；同时保证结构件的安全和安全阀不随支架动作的频繁卸载。成组支架自动控制功能--成组自动控制要求一次控制的对象不仅是单架，而是相邻多架构成的动作组。只需人工发出命令启动，以后无须人工干预自动动作。成组自动控制的动作可以是某一个单一动作，也可以是自动顺序的联合动作控制。可以设成成组自动控制的动作有成组自动降升移(组内支架依次移架)、成组自动推遛(组内支架依次延时推遛或同时推遛)、成组自动伸护帮板(组内支架依次延时伸护帮板)、成组自动收护帮板(组内支架依次延时收护帮板)、成组自动辅助采煤机喷雾(组内支架在采煤机滚筒处区域同时喷雾)、成组自动移架(组内支架依次延时移架或同时移架)。煤机、支架联动控制功能--一支架可跟随采煤机运行方向和位置实现自动推遛、自动移架、自动收护帮板、自动伸护帮板、自动辅助采煤机喷雾等联合动作控制功能。根据工作面作业规程，要求确定采煤机割煤沿某个方向运行到某一支架位置时，哪些支架应相应地开始或持续执行哪些动作，可将这些操作要求输入被控制程序中，当控制器监测到采煤机方向位置信息后，就依据程序自动指挥相应支架完成相应动作，动作过程完全自动进行。自动补压功能——支架在工作中发生卸载时可自动补压，支柱在支撑中如因某种原因发生压力降落到某一设定值时，系统可自动执行升柱。补压到初撑压力，并可执行多次，以确保支护质量。闭锁及紧急停止功能--一控制器具有闭锁与急停功能，当闭锁发生在本支架时，其他支架上的控制器无法对该支架进行操作；当急停时，全工作面的支架自动停止。故障诊断、显示和报警功能一一当某一支架或控制器发生故障时，系统能对该故障进行诊断，并显示出来，同时给出报警信号。采煤机位置监测功能-采用"红外线法"的采煤及位置监测实时跟机自动化操作。具体如下1)采用红外线发射接收一对一关系的方式获得采煤机位置检测数据，可检测采煤机的运行方向、运行位置。2)采煤机位置检测精度土l架，不需要自动校正。3)在采煤机进行过程中，与采煤机红外线发射器相对应(在一条水平线上)支架上的红外线接收器接收红外线发射器发射的红外信号。4)红外线接收器通过电缆和支架控制器相连，把接收到的红外线信号转换为电信号传送给控制器，由控制器来处理这些数据并指令支架执行相应的自动动作。参数在线修改功能一一操作者可在井下任意一台支架上的控制器中对控制程序的参数随时通过键盘在线操作，方便地进行设置、输入或修改。程序在线下载升级功能--一为了不中断正常采煤工作，提供工作效率，控制器可在线装入新的应用程序，为快捷升级调整程序提供条件。权利要求1.一种全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于它包括一台主控计算机，用于控制系统的工作；若干台支架控制器，按每个液压支架对应一台支架控制器配备，用于控制液压支架的动作；若干传感器，用于检测液压支架的状态并发送给该液压支架所配备的支架控制器；所述主控计算机与各支架控制器之间以及各支架控制器之间用通讯电缆连接，其中所述每台支架控制器为由CPU板、按键板、显示板、输出板、电磁阀驱动器构成的微型计算机；所述按键板接CPU板的键盘接口；所述显示板接CPU板的显示接口；所述输出板接CPU板的输入/输出接口；所述电磁阀驱动器接CPU板的通讯接口；所述传感器的输出经输出板接入CPU板的输入/输出接口；所述主控计算机通过输出板与输出板所在的支架控制器通讯；所述支架控制器通过自己的输出板与相邻的支架控制器通讯。2.如权利要求1所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于在所述CPU板中，CPU为Atmegal28L芯片，该芯片的128KFlash中存储应用程序和固定数据，4KSRAM实现数据交换，4KEEPR0M实现数据记忆存储，两个UART串口实现与相邻支架控制器的数据通讯，用IO位ADC实现压力与位移的传感器检测，用模拟比较器实现红外检测，用TWI接口实现与电磁阀驱动控制器的通讯，并通过协议收发器和电平转换器扩展一个CAN接口，实现与主控计算机的通讯。3.如权利要求1或2所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于在所述显示板中，使用HDSP-2112显示模块。4.如权利要求1或2所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于在所述按键板中，采用8279扫描键盘芯片，每一个按键都采用刚性弹片粘接在电路板上。5.如权利要求1或2所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于所述输出板釆用四芯防水连接器连接外围设备，该板上连接总线连接器、左右相邻的支架控制器、红外接收器、左右立柱压力传感器、位移传感器。6.如权利要求1或2所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于所述电磁阓驱动器采用两片PCA9555芯片，PCA9555是12C接口扩展16位GPI0的芯片，所述CPU板上CPU的TWI接口分别与两片PCA9555通讯接口并连，用A0，Al实现地址分配。7.如权利要求2所述的全自动采煤生产线液压支架电液控制器，其特征在于所述扩展CAN接口由CAN协议收发器SJA1000和CAN电平转换器PCA83C250构成，收发器与电平转换器间釆用光耦6N137实现电气隔离。专利摘要本实用新型为一种全自动采煤生产线液压支架电液控制器，包括一台主控计算机，用于控制系统的工作；若干台支架控制器，按每个液压支架对应一个支架控制器配备，用于控制液压支架的动作；若干传感器，用于检测液压支架的状态并发送给该液压支架所配备的支架控制器；支架控制器为由CPU板、按键板、显示板、输出板、电磁阀驱动器构成的微型计算机；主控计算机与各支架控制器之间以及各支架控制器之间用通讯电缆连接。该控制器能够对全自动采煤生产线液压支架进行监测和有效控制，它便于工作人员操控，可以减低煤矿企业的成本。文档编号E21D23/26GK201221374SQ200820079609公开日2009年4月15日申请日期2008年3月27日优先权日2008年3月27日发明者蒙李,鹏李申请人:北京神舟航天软件技术有限公司