基于EtherCAT的液压支架远程控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，包括物理层、介质层和系统控制层，物理层包括工作综采面上的采煤机、液压支架和刮板输送机，液压支架上设置有若干个液压缸，还设置有传感器，介质层包括若干个电磁阀组、数据采集器以及操作面板，且每个电磁阀组、数据采集器以及操作面板对应物理层中的一个液压支架；系统控制层包括两个主控制器、若干个I/O控制器以及用于传输液压支架超长指令控制字的EtherCAT总线，两个主控制器和若干个I/O控制器之间通过EtherCAT总线连接。其保证了远程控制的实时性，提供了大数据的传送；使得液压支架远程控制系统的开发难度降低，可靠性高。
【专利说明】基于EtherCAT的液压支架远程控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种液压支架电液控制系统，具体涉及一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，属于矿用设备的自动化控制系统领域。
【背景技术】
[0002]液压支架，是井工开采的重要支护设备之一，液压支架电液控制系统更是井下综采工作面上极为重要的自动化控制系统。在综采智能化装备的研发中，由于通信的数据量较大，通信距离远，对于液压支架的远程控制一直以来都无法保持较好的实时性，并且，传统的液压支架控制系统，采用CAN总线的通信方式居多，这样就必须使每一个支架对应于一个支架控制器，构成了一个复杂的分布式通信系统，加大了系统开发的复杂性，同时也降低了系统的可靠性。
[0003]同时，利用传统方法进行液压支架的远程控制系统设计，在实时性方面得不到保障，一般延时在ms级甚至s级，使得远程控制极不可靠。
实用新型内容
[0004]为了克服上述缺陷，本实用新型提供一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其不仅能够保证远程控制的实时性，而且可以提供大数据的传送；同时使得液压支架远程控制系统的开发难度降低，可靠性高。
[0005]本实用新型为了解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，包括物理层、介质层和系统控制层，且其之间依次连接，所述物理层包括工作综采面上的采煤机、液压支架和刮板输送机，所述液压支架上设置有立柱千斤顶、平衡千斤顶和抬底千斤顶，还设置有压力传感器、位移传感器和姿态传感器，所述介质层包括若干个接口管理器，且接口管理器由电磁阀组、数据采集器以及操作面板组成，且每个接口管理器对应物理层中的一个液压支架；所述系统控制层包括两个主控制器、若干个I/o控制器以及用于传输液压支架超长指令控制字的EtherCAT总线，所述两个主控制器和若干个I/O控制器之间通过EtherCAT总线连接。
[0006]进一步的，所述I/O控制器包括MCU、ESC芯片、传感器输入I/O、电磁阀组输出I/
O、本地数据库、PHY器件、网络变压器以及以太网接口 ；所述MCU用于I/O控制器的I/O 口操作；所述ESC芯片用于EtherCAT总线的处理；所述传感器输入I/O用于实时读取所述介质层的数据采集器以及操控面板的用户输入指令；所述的电磁阀组输出I/O根据MCU发出的指令控制介质层中电磁阀组的开合动作。
[0007]进一步的，所述采煤机身上安装有用于对采煤机进行定位的红外线发射器，所述液压支架上设置有与红外线发射器相对应的红外接收器。
[0008]进一步的，所述介质层中的电磁阀组用于将电信号转换为液压动力信号，驱动物理层中液压支架的液压缸；所述数据采集器用于采集物理层中每个液压支架的传感器数值；所述控制面板用于人机交互，采集输入者的输入指令。
[0009]进一步的，所述系统控制层中的主控制器为任意具有以太网接口的主机，且主控制器的主控芯片与以太网接口之间设置有网络变压器。
[0010]进一步的，所述系统控制层中的I/O控制器的个数与液压支架的个数相同，且一一对应设置，用于与介质层的交互；所述I/o控制器根据EtherCAT总线的控制指令对电磁阀组进行开合控制，进而控制液压支架动作。
[0011]一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统的控制方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0012](I)在系统出厂时，在主控制器处对每一个I/O控制器的存储区进行顺序组态，并将每一个I/O控制器的I/O 口地址映射到超长指令字中对应的位置；
[0013](2)在对某支架进行操作时，I/O控制器对操作者的输入指令进行采集，然后进入下一步；
[0014](3) I/O控制器将采集到的控制指令，填充到EtherCAT总线中的超长指令字，经过EtherCAT 一个循环周期，将所述超长指令字发送给主控制器；
[0015](4)主控制器接收到EtherCAT总线上的超长指令后进行协议解析，然后根据协议内容发送相应的控制命令，并将该控制命令填充到EtherCAT总线的超长指令字中；
[0016](5)在一个循环周期内，所述的I/O控制器读取出EtherCAT总线的超长指令字，获取自身地址与超长指令字中的地址映射关系，当映射关系匹配时，则取对应地址的指令；
[0017](6) I/O控制器取出指令后，对指令进行协议解析，然后实时对I/O 口进行操作。
[0018]进一步的，在步骤(2)中，当指令采集完成之后，系统根据操作者所在支架号，确定被操作支架与当前支架之间的距离是否超过安全距离，当超过安全距离则发出警报，并首先在本地进行危险操作记录，同时在EtherCAT总线中的超长指令字中写错误标识码，主控制器记录当前错误操作；当操作者在安全距离内，即可进行下一步。
[0019]本实用新型的有益效果是:将传统的分布式液压支架电液控制系统，变成了分面式1/0，集中控制液压支架电液控制系统，降低了控制系统的复杂性，使得液压支架的电液控制系统开发更容易；提高了控制系统的可靠性，整个系统只有主控制器进行控制，I/o控制器只进行实时动作，通信内容的设计更为简单可靠，大大减少了通信错误的机率；同时，能够保证远程控制的实时性以及能够提供大数据的传送。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型的系统结构框图；
[0021]图2是液压支架远程控制系统的I/O控制器结构框图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型进行进一步的阐述。
[0023]如图1和图2所示，一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，包括物理层、介质层和系统控制层，且其之间依次连接，所述物理层包括工作综采面上的采煤机、液压支架和刮板输送机，所述液压支架上设置有若干个液压缸，且其动作的主要动力来源于上述各个液压缸，具体为:立柱液压缸，平衡液压缸，抬底座液压缸，护帮液压缸，侧护液压缸，伸缩梁液压缸，尾梁液压缸等，在具体的液压支架上主要设置有立柱千斤顶、平衡千斤顶和抬底千斤顶等，还设置有传感器，比如压力传感器、位移传感器和姿态传感器，所述介质层包括若干个接口管理器，所述接口管理器由电磁阀组、数据采集器以及操作面板组成，且每个接口管理器对应物理层中的一个液压支架；所述系统控制层包括两个主控制器如图1所示的主控制器I和主控制器2，主控制器I是EtherCAT总线结构的控制主站，主控制器I与主控制器2构成环网，可将液压支架电液控系统所有的数据传输至其他网络、若干个I/O控制器以及用于传输液压支架超长指令控制字的EtherCAT总线，所述两个主控制器和若干个I/O控制器之间通过EtherCAT总线连接。
[0024]所述I/O控制器包括MCU、ESC芯片、传感器输入I/O、电磁阀组输出I/O、本地数据库、PHY器件、网络变压器以及以太网接口 ；所述MCU用于I/O控制器的I/O 口操作；所述ESC芯片用于EtherCAT总线的处理；所述传感器输入I/O用于实时读取所述介质层的数据采集器以及操控面板的用户输入指令；所述的电磁阀组输出I/O根据MCU发出的指令控制介质层中电磁阀组的开合动作。
[0025]所述采煤机身上安装有用于对采煤机进行定位的红外线发射器，所述液压支架上设置有与红外线发射器相对应的红外接收器。
[0026]所述介质层中的电磁阀组用于将电信号转换为液压动力信号，驱动物理层中液压支架的液压缸；所述数据采集器用于采集物理层中每个液压支架的传感器数值；所述控制面板用于人机交互，采集输入者的输入指令。
[0027]所述系统控制层中的主控制器为任意具有以太网接口的主机，且主控制器的主控芯片与以太网接口之间设置有网络变压器。
[0028]所述系统控制层中的I/O控制器的个数与液压支架的个数相同，且一一对应设置，用于与介质层的交互；所述I/o控制器根据EtherCAT总线的控制指令对电磁阀组进行开合控制，进而控制液压支架动作。
[0029]上述控制系统具体的连接方式为:在综采工作面的两端各设置有一个主控制器，分别为主控制器I和主控制器2，每个液压支架上安装一个I/O控制器，每个I/O控制器之间采用带电源电缆连接，电缆线中其中两芯为电源线与共地线，其他为以太网线的信号线，主控制器与I/O控制器之间采用所述的带电源电缆连接，两个主控制器之间也采用所述的带电源电缆连接，构成环网。
[0030]一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统的控制方法，包括以下步骤:
[0031](I)在系统出厂时，在主控制器处对每一个I/O控制器的存储区进行顺序组态，并将每一个I/O控制器的I/O 口地址映射到超长指令字中对应的位置；
[0032](2)在对某支架进行操作时，I/O控制器对操作者的输入指令进行采集，然后进入下一步；
[0033](3) I/O控制器将采集到的控制指令，填充到EtherCAT总线中的超长指令字，经过EtherCAT 一个循环周期，将所述超长指令字发送给主控制器；
[0034](4)主控制器接收到EtherCAT总线上的超长指令后进行协议解析，然后根据协议内容发送相应的控制命令，并将该控制命令填充到EtherCAT总线的超长指令字中；
[0035](5)在一个循环周期内，所述的I/O控制器读取出EtherCAT总线的超长指令字，获取自身地址与超长指令字中的地址映射关系，当映射关系匹配时，则取对应地址的指令；
[0036](6) I/O控制器取出指令后，对指令进行协议解析，然后实时对I/O 口进行操作。
[0037]在步骤(2)中，当指令采集完成之后，系统根据操作者所在支架号，确定被操作支架与当前支架之间的距离是否超过安全距离，当超过安全距离则发出警报，并首先在本地进行危险操作记录，同时在EtherCAT总线中的超长指令字中写错误标识码，主控制器记录当前错误操作；当操作者在安全距离内，即可进行下一步。
【权利要求】
1.一种基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，包括物理层、介质层和系统控制层，且其之间依次连接，所述物理层包括工作综采面上的采煤机、液压支架和刮板输送机，所述液压支架上设置有立柱千斤顶、平衡千斤顶和抬底千斤顶，还设置有压力传感器、位移传感器和姿态传感器，其特征在于:所述介质层包括若干个接口管理器，所述接口管理器由电磁阀组、数据采集器以及操作面板组成，且每个接口管理器对应物理层中的一个液压支架；所述系统控制层包括两个主控制器、若干个I/o控制器以及用于传输液压支架超长指令控制字的EtherCAT总线，所述两个主控制器和若干个I/O控制器之间通过EtherCAT总线连接。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其特征在于:所述I/O控制器包括MCU、ESC芯片、传感器输入I/O、电磁阀组输出I/O、本地数据库、PHY器件、网络变压器以及以太网接口 ；所述MCU用于I/O控制器的I/O 口操作；所述ESC芯片用于EtherCAT总线的处理；所述传感器输入I/O用于实时读取所述介质层的数据采集器以及操控面板的用户输入指令；所述的电磁阀组输出I/O根据MCU发出的指令控制介质层中电磁阀组的开合动作。
3.根据权利要求1或2所述的基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其特征在于:所述采煤机身上安装有用于对采煤机进行定位的红外线发射器，所述液压支架上设置有与红外线发射器相对应的红外接收器。
4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其特征在于:所述介质层中的电磁阀组用于将电信号转换为液压动力信号，驱动物理层中液压支架的液压缸；所述数据采集器用于采集物理层中每个液压支架的传感器数值；所述控制面板用于人机交互，采集输入者的输入指令。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其特征在于:所述系统控制层中的主控制器为任意具有以太网接口的主机，且主控制器的主控芯片与以太网接口之间设置有网络变压器。
6.根据权利要求5所述的基于EtherCAT的液压支架远程控制系统，其特征在于:所述系统控制层中的I/O控制器的个数与液压支架的个数相同，且一一对应设置，用于与介质层的交互；所述I/o控制器根据EtherCAT总线的控制指令对电磁阀组进行开合控制，进而控制液压支架动作。
【文档编号】E21D23/12GK204098944SQ201420449391
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】张霖, 王忠宾, 谭超, 周晓谋, 闫海峰, 刘新华, 姚新港 申请人:中国矿业大学