煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统的制作方法
【专利摘要】煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统是采用双频段以及双输入输出接口的“全双工”模式的动力电缆载波通信系统。使用AC-1140V或者AC-3300V的采煤机动力电缆，用于煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输。系统包括两个均为单向通信的通路，由双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块、工作模式选择模块、FPGA第二核心处理模块、DAC输出缓冲电路、ADC输入缓冲电路、双DAC信号调理电路模块、双ADC信号调理电路模块、信号调理电路选择模块及电力载波高压耦合电路模块构成；所述系统配置以“主发与从收”为一体的“主发射站”和以“从发与主收”为一体的“从发射站”两种单向通信模式。
【专利说明】煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿井下综合机械化采煤面(简称综采面)，具体是综采面数据和控制命令的传输，更具体是煤矿综合采煤面的采煤机安全监控系统的传感器数据以及控制命令数据的双向传输系统。
【背景技术】
[0002]由于现代化矿井综采工作面单产水平的不断提高，对采煤机技术性能的要求也越来越高，采煤机的装机功率也在不断提高，且更加复杂，而高标准工作面装备是实现高产稳产高效的可靠保证。为了确保采煤机在最佳状态运行，降低采煤机故障率，减少维修时间，需要运用采煤机安全监控系统，对采煤机进行在线工况监测和快速的故障诊断，以及在必要的时候调制采煤机运行参数，以保证采煤机工作在最佳工况。
[0003]目前，由于矿井下的生产环境条件十分复杂恶劣，国内大型矿井的井下通信网络虽然已经延伸至顺槽，但在工作面到顺槽之间通信极为困难，究其原因主要是工作面环境复杂、粉尘大、潮湿度高、水平及垂直方向起伏多变，无线通信多径效应以及衰减非常严重，严重影响通信系统的有效性与可靠性，而常规动力电缆与控制芯线集成的传统多芯电缆控制方式，由于控制线较细，机械强度相对更低，经常出现断相等故障，查找困难，维护成本高，以至影响生产。另一方面采煤机工作电压升至3.3kV等级，动力电缆内工作芯线向控制芯线传导共模电压及伤害性漏电流几率增多，对控制设备安全及操作人员的生命安全造成极大威胁。
[0004]为了解决上述问题，现有系统多为只有单向传输采煤机控制命令或者只单向传输传感器数据功能，采用单频段半双工工作模式。这种工作模式存在的问题是:不能同时双向传输，速度慢。为了能够及时高效率的传输采煤机监控系统的各种传感器的数据信息传送至顺槽，以及紧急情况下及时传输地面控制命令控制采煤机或者随时动态调整采煤机运行参数，而使其工作最佳状态，这就需要一种系统在数据传输的时候能够同时双向独立进行，以达到同时传输多达上百个传感器数据以及采煤机控制命令时候不会相互干扰，也就是达到意义上的“全双工”通信模式，而不是现有系统交替传输的“半双工”模式。
【发明内容】
[0005]为了解决综合采煤面至顺槽之间大功率采煤机安全监控系统的数据及时相互传输的问题，克服传统多芯线控制方式以及无线通信方式多径衰落严重的缺点与不足，克服单频段半双工工作模式不能同时双向传输而且速度慢的弊病，使得监控系统的数据能够高效，快速地传输至顺槽，以及同时传输地面或者顺槽的控制命令至采煤机，本发明提供一种煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统。
[0006]本发明是采用双频段以及双输入输出接口的“全双工”模式的动力电缆载波通信系统。使用AC-1140V或者AC-3300V的采煤机动力电缆，用于煤矿综采面传输采煤机安全监控系统的传感器数据至顺槽监控中心以及同时接收来自顺槽或者地面的采煤机控制命令数据传输至采煤机进行控制。
[0007]本发明所述煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统包括两个均为单向通信的通路，由双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块、工作模式选择模块、FPGA第二核心处理模块、DAC输出缓冲电路、ADC输入缓冲电路、双DAC信号调理电路模块、双ADC信号调理电路模块、信号调理电路选择模块及电力载波高压耦合电路模块构成；
连接CAN总线网络的双CAN处理模块还连接DSPIC单片机第一核心模块；
DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心处理模块通过双串口传输数据，工作模式选择模块分别连接DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心处理模块；
DAC输出缓冲电路和ADC输入缓冲电路均连接FPGA第二核心处理模块，并且DAC输出缓冲电路还连接双DAC信号调理电路模块，ADC输入缓冲电路还连接双ADC信号调理电路模块；
双DAC信号调理电路模块和双ADC信号调理电路模块均连接信号调理电路选择模块及电力载波闻压I禹合电路1旲块；
DC+24V的电源电路模块连接双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块以及FPGA第二核心处理模块，为系统供电；
所述系统通过电力载波高压耦合电路模块挂载到AC-1140V或者AC-3300V的采煤机三相三线制动力电缆中的任意对应两相之上,实现动力电缆载波通信；
所述系统配置以“主发与从收”为一体的“主发射站”和以“从发与主收”为一体的“从发射站”两种单向通信模式。
[0008]进一步，其中“主发射站”的“主发”对应“从发射站”的“主收”，使用频段为3KHZ-150KHZ 从发射站”的“从发”对应“主发射站” “从收”，使用频段为250KHZ-450KHZ ；
对应地，FPGA第二核心处理模块同时集成了 3KHZ-150KHZ频段的OFDM载波数据调制、解调模块，以及250KHZ-450KHZ频段的载波数据OFDM调制、解调模块。
[0009]该系统通过工作模式选择模块决定该系统配置为“主发与从收”一体还是“从发与主收”为一体的工作体制，并同时控制发射、接收调理电路选择模块。
[0010]当选择“主发与从收”一体模式时，则该系统作为“主发射站”工作在综采面采煤机一则，连接采煤监控通信CAN总线网络，同时系统软件系统激活程序中的“主发设备”和“从收设备”，并同时控制信号调理电路选择模块选择DACl信号调理电路，“主发设备”体现为:系统CANl网络的一边连接采煤机安全监控系统CAN系统数据网络，另外一边连接DSPIC单片机第一处理核心模块，DSPIC单片机第一核心模块处理好数据之后送至FPGA第二核心模块进行基带信号的OFDM调制，频段范围3KHZ-150KHZ，之后输出给DACI输出缓冲电路、DACI信号调理电路模块处理，再通过电力载波高压耦合电路模块发送至动力电缆上；
另一方面信号调理电路选择模块选择ADCl信号调理电路模块以便接收频段250KHZ-450KHZ之间的数据，并传输给FPGA第二核心模块进行解调，之后通过DSPIC单片机第一核心模块进行二次解包处理通过CAN2网络发送给采煤机，进行相应的控制。
[0011]当所述系统选择“从发与主收”一体模式时，则该系统作为“从发射站”工作在另外的一则(顺槽监控中心或其它地方)，同时系统软件系统激活“从发设备”和“主收设备”，并同时控制信号调理电路选择模块并选择DAC2信号调理电路，“从发设备”体现为:CAN2网络的一边连接顺槽监控系统的CAN系统数据网络，接收采煤机控制命令，另外一边连接DSPIC单片机第一核心模块，DSPIC单片机第一核心模块处理好数据之后送至FPGA第二核心模块进行基带信号的OFDM调制，频段为250KHZ-450KHZ，再通过电力载波高压耦合电路模块发送至动力电缆上；另一方面信号调理电路选择模块选择ADC2信号调理电路模块接收频段在3KHZ-150KHZ之间的采煤机监控系统的传感器数据，并传输给FPGA第二核心模块进行解调，之后通过DSPIC单片机第一核心模块进行二次解包处理通过CANl网络发送到顺槽监控中心CAN网络。
[0012]所述的OFDM基带信号调制技术基本原理是:发送时，经过DSPIC单片机第一核心模块处理排序的数据通过串口输送到FPGA第二核心模块之后，主要经过数据加扰，RS编码，卷积编码，数据交织之后进行调制映射，IFFT离散傅立叶反变换，插入循环前缀以及加窗等处理，输出给DAC相关电路处理。接收时则对经过ADC采集的信号进行相应的信号同步检测、去除循环前缀，FFT变换，信道估计，解映射，解交织，信道译码等操作。
[0013]所述电力载波高压耦合电路模块采用相-相、“电磁耦合”与“阻容注入式耦合”复合耦合的方式，即是工作的时候可以挂载到动力电缆上任意的对应的两相之上即可以进行通信，比如A-A和B-B或者A-A和C-C或者B-B和C-C。
[0014]为了方便没有更新监控系统至CAN总线网络传输的老设备，实现兼容性，本发明还包括与双CAN总线并行的双RS485总线。
[0015]本发明所述的DAC信号调理电路模块，包括顺序连接的DAC处理电路、有源低通滤波电路、单端信号转差分信号电路和功率放大电路，其中单端信号转差分信号电路主要将DAC输出的单极性信号转为差分信号进行传输，以提高抗共模干扰，并使用射频变压器进行转换，功率放大电路使用DC+24V供电，以使得输出的信号幅度接近电源供电主电压DC+24V，提高载波信号传输的距离，减少中继系统，其中DACl有源低通滤波电路为250KHZ-450KHZ响应频段；DAC2有源低通滤波电路为3KHZ-150KHZ响应频段。
[0016]所述的ADC信号调理电路模块，包括顺序连接的低噪放大电路、有源带通滤波电路、差分信号转单端信号电路、AGC自动增益控制电路和ADC处理电路。其中ADCl有源带通滤波电路为3KHZ-150KHZ响应频段；ADC2有源带通滤波电路为250KHZ-450KHZ响应频段。
[0017]本发明的整个系统置于防爆机箱之内，防爆机箱分为左高压区域、右低压控制区域以及中间隔离区域。
[0018]与现有的技术相比，本发明具有以下优势:
1、本发明的系统集成双通道发射机、双通道接收机于一体，并使用相距100KHZ以上的双载波频段分开、同时传输采煤机监控系统的数据和采煤机控制命令数据，数据传输更安全可靠，采用的调制方式为正交频分复用OFDM技术，将高速的串行数据流分割为低速的并行数据流，将数据分散到多个正交的子载波之上进行并行传输，具有较强的克服多径效应，抵抗符号间干扰的能力，从而大大地减少了子载波之间的干扰，相对于传统的扩频调相等技术极大地提高了数据传输的可靠性。
[0019]2、本发明的系统具备CAN总线波特率自适应检测能力，无需根据不同客户另行修改，另外配备了 RS485接口，方便没有更新监控系统至CAN总线网络传输的老设备，因此兼容性较强。
[0020]3、本发明的检测系统部署灵活，无需额外布线，直接挂载到动力电缆就可以直接使用，节约了多芯线损耗严重或者部署无线网络节点所带来的成本。
[0021]4、本发明的系统采用的OFDM调制方式，传输速率较传统的载波调制方式有了大幅度的提高。
[0022]5、本发明采用FPGA作为编解码核心，相对于DSP以及其他的控制器，具有编程灵活，速度快，开发周期短特点；而一些使用集成电力载波芯片设计的通信电路，由于其PLC通信系统的一些物理层的参数，都已经固化在芯片中，针对特定的信道，不能适时修改参数，因此可移植差；本系统采用FPGA作为核心，具有面向用户，面向环境，可修改性、可裁剪性灵活等优势。
[0023]6、本发明的系统直接挂载到动力电缆，不使用较细的控制线，故障率低，也便于维护。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的传输系统基本框图；
图2是系统配置为“主发射站”运行模式图；
图3是系统配置为“从发射站”运行模式图；
图4是DAC信号输出调理电路模块原理框图，DACl与DAC2相同；
图5是ADC信号输入调理电路模块原理框图，ADCl与ADC2相同；
图6是系统工作连线原理框图。
【具体实施方式】
[0025]见图1。本发明的系统包括两个均为单向通信的通路:CAN1/RS485—DACl和DAC2 ；CAN2/RS485—ADCl 和 ADC2。由双 CAN 处理模块 CAN1/RS485 与 CAN2/RS485、DSPIC 单片机第一核心模块、工作模式选择模块、FPGA第二核心处理模块、DAC输出缓冲电路、ADC输入缓冲电路、双DAC信号调理电路模块DACl和DAC2、双ADC信号调理电路模块ADCl和ADC2、信号调理电路选择模块及电力载波高压耦合电路模块构成；
连接CAN总线网络的双CAN处理模块还连接DSPIC单片机第一核心模块；
DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心模块通过双串口(串口 I和串口 2)传输数据，工作模式选择模块分别连接DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心模块；
DAC输出缓冲电路和ADC输入缓冲电路均连接FPGA第二核心模块，并且DAC输出缓冲电路还连接双DAC信号调理电路模块DACl和DAC2，ADC输入缓冲电路还连接双ADC信号调理电路模块ADCl和ADC2 ；
双DAC信号调理电路模块和双ADC信号调理电路模块均连接信号调理电路选择模块及电力载波闻压I禹合电路1旲块；
DC+24V的电源电路模块连接双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块以及FPGA第二核心模块，为系统供电；
所述系统通过电力载波高压耦合电路模块挂载到AC-1140V或者AC-3300V的采煤机三相三线制动力电缆中的任意对应两相之上,实现动力电缆载波通信；
系统通过两个均为单向通信的通路，配置以“主发与从收“为一体的”主发射站”和以“从发与主收”为一体的“从发射站”两种单向通信模式。
[0026]整个系统置于由钢板焊接而成的长方体防爆机箱之内，防爆机箱分为左高压区域和右低压控制区域，以及中间隔离区域。
[0027]系统的左高压区域挂载到AC-1140V或者AC-3300V的采煤机三相三线制动力电缆中的任意对应两相之上，比如A-A和B-B或者A-A和C-C或者B-B和C-C (参见图6)。右低压控制区域外接DC+24V直流电源作为低压控制区的供电。
[0028]见图2。通过工作模式选择模块决定该系统配置为“主发与从收”一体的“主发射站”工作模式。
[0029]该系统作为“主发射站”工作在综采面采煤机一则，连接采煤监控通信CAN总线网络，同时系统软件系统激活程序中的“主发设备”和“从收设备”，并同时控制信号调理电路选择模块选择DACl信号调理电路模块，“主发设备”体现为:系统CANl网络的一边连接采煤机安全监控系统CAN系统数据网络，另外一边连接DSPIC单片机第一处理核心模块，DSPIC单片机第一核心模块处理好数据之后由串口 I送至FPGA第二核心模块进行基带信号的OFDM调制，频段范围3KHZ-150KHZ，之后输出给DACl输出缓冲电路、DACl信号调理电路模块处理，再通过电力载波高压耦合电路模块发送至动力电缆上；
另一方面信号调理电路选择模块选择ADCl信号调理电路模块以便接收频段250KHZ-450KHZ之间的数据，并传输给FPGA第二核心模块进行解调，之后由串口 2送至DSPIC单片机第一核心模块，通过DSPIC单片机第一核心模块进行二次解包处理通过CAN2网络发送给采煤机，进行相应的控制。
[0030]见图3。通过工作模式选择模块决定该系统配置为“从发与主收”一体的“从发射站”工作模式。
[0031]该系统作为“从发射站”工作在另外的一则(顺槽监控中心或其它地方)，同时系统软件系统激活“从发设备”和“主收设备”，并同时控制信号调理电路选择模块并选择DAC2信号调理电路模块，“从发设备”体现为:CAN2网络的一边连接顺槽监控系统的CAN系统数据网络，接收采煤机控制命令，另外一边连接DSPIC单片机第一核心模块，DSPIC单片机第一核心模块处理好数据之后送至FPGA第二核心模块进行基带信号的OFDM调制，频段为250KHZ-450KHZ,再通过电力载波高压耦合电路模块发送至动力电缆上；另一方面信号调理电路选择模块选择ADC2信号调理电路模块接收频段在3KHZ-150KHZ之间的采煤机监控系统的传感器数据，并传输给FPGA第二核心模块进行解调，之后通过DSPIC单片机第一核心模块进行二次解包处理通过CANl网络发送到顺槽监控中心CAN网络。
[0032]见图4。DAC信号调理电路模块，包括顺序连接的DAC处理电路(DAC)、有源低通滤波电路(有源低通滤波)、单端信号转差分信号电路(单端转差分)和功率放大电路，其中单端信号转差分信号电路使用射频变压器进行转换，功率放大电路使用DC+24V供电。在DAC信号调理电路模块中，信号从DAC输入，最后经放大后输出。
[0033]见图5。ADC信号调理电路模块，包括顺序连接的低噪放大电路(差分低噪放大)、有源带通滤波电路(有源带通滤波)、差分信号转单端信号电路(差分转单端)、AGC自动增益控制电路(AGC)和ADC处理电路(ADC)。在ADC信号调理电路模块中，信号从差分低噪放大输入,最后经ADC后输出。
[0034]见图6。通过CAN1/485，由工作在综采面采煤机一则的主发射站发送综采面采煤机安全监控系统中各种传感器数据，由从发射站接收；同时，通过CAN2/485，由工作在地面或者顺槽一则的从发射站发送地面或者顺槽监控在紧急情况下的控制命令，由主发射站接收。上述过程中，数据的传输均通过AC-1140V/AC-3300V三相(A/B/C)三线制动力电缆完成。
【权利要求】
1.煤矿综采面数据和控制命令数据的双向传输系统，其特征在于:所述系统包括两个均为单向通信的通路，由双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块、工作模式选择模块、FPGA第二核心模块、DAC输出缓冲电路、ADC输入缓冲电路、双DAC信号调理电路模块、双ADC信号调理电路模块、信号调理电路选择模块及电力载波高压耦合电路模块构成； 连接CAN总线网络的双CAN处理模块还连接DSPIC单片机第一核心模块； DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心模块通过双串口传输数据，工作模式选择模块分别连接DSPIC单片机第一核心模块与FPGA第二核心模块； DAC输出缓冲电路和ADC输入缓冲电路均连接FPGA第二核心模块，并且DAC输出缓冲电路还连接双DAC信号调理电路模块，ADC输入缓冲电路还连接双ADC信号调理电路模块； 双DAC信号调理电路模块和双ADC信号调理电路模块均连接信号调理电路选择模块及电力载波闻压I禹合电路1旲块； DC+24V的电源电路模块连接双CAN处理模块、DSPIC单片机第一核心模块以及FPGA第二核心模块，为系统供电； 所述系统通过电力载波高压耦合电路模块挂载到AC-1140V或者AC-3300V的采煤机三相三线制动力电缆中的任意对应两相之上,实现动力电缆载波通信； 所述系统配置以“主发与从收“为一体的”主发射站”和以“从发与主收”为一体的“从发射站”两种单向通信模式。
2.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:其中“主发射站”的“主发”对应“从发射站”的“主收”，使用频段为3KHZ-150KHZ ;“从发射站”的“从发”对应“主发射站” “从收”，使用频段为250KHZ-450KHZ ； FPGA第二核心模块同时集成了 3KHZ-150KHZ频段的OFDM载波数据调制、解调模块，以及250KHZ-450KHZ频段的载波数据OFDM调制、解调模块。
3.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:电力载波高压稱合电路模块米用相-相、“电磁耦合”与“阻容注入式耦合”复合耦合的方式。
4.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:还包括与双CAN总线并行的双RS485总线。
5.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:整个系统置于防爆机箱之内，防爆机箱分为左高压区域、右低压控制区域以及中间隔离区域。
6.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:所述的DAC信号调理电路模块，包括顺序连接的DAC处理电路、有源低通滤波电路、单端信号转差分信号电路和功率放大电路，其中单端信号转差分信号电路使用射频变压器进行转换，功率放大电路使用DC+24V供电。
7.根据权利要求1所述的双向传输系统，其特征在于:所述的ADC信号调理电路模块，包括顺序连接的低噪放大电路、有源带通滤波电路、差分信号转单端信号电路、AGC自动增益控制电路和ADC处理电路。
【文档编号】H04L5/14GK104168101SQ201410429708
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】宾相邦, 宋树祥, 蔡超波, 岑明灿, 闭金杰, 雷善历 申请人:广西师范大学