一种工作面支架控制装置 【技术领域】
本发明涉及一种工作面支架控制装置，是一种电子装置，是一种用于煤矿井下的综采工作面上的液压支架的控制装置，是一种用于控制液压支架动作和与其它液压支架联络的电子装置。
背景技术
液压支架是井下采掘的重要设备，如图1所示的是一个液压支架的示意图，主要包括安装在底座1上的前排液压缸2、后排液压缸3两对强大的液压缸，液压缸将顶板3向上推举起到支撑作业面的作用。如图所示在前液压缸高度较高，所以在A的位置人员活动比较方便，但A位置的危险性也表较大，容易受到落下和四处飞溅的煤块、石块，设备之间的碰撞，一般尽量不在A位置安排设备。后排液压缸较短，在B位置的空间较小，人员活动不太方便，但B位置比较安全，通常安排液压控制控制系统。液压控制系统包括液压阀和液压支架控制装置等。公知的液压支架控制装置由通讯模块、数据采集模块、CPU、驱动模块、人机交换模块、行程和压力传感器、电磁先导阀和CAN总线组成，如图2所示，图中表示的是两个支架的控制装置在一起的情况，还可以有许多个装置向图中表示的那样连接在一起，组成一个庞大的支架系统，本说明书为了方便起见均只画出两个支架装置的图示，代表可以连接多个支架装置。
采煤井下的工作条件十分恶劣。潮湿：空气中的湿度极大，所有设备都处在被空气中的水汽腐蚀的状态，更糟的是所有设备随时都可能被浸入水中。机械的碰撞：落下和四处飞溅的煤块、石块，设备之间的碰撞，人为的碰撞等等，无论是什么，娇嫩的东西在井下根本无法使用。安全的要求：所有电器设备必须是防爆或本安型电器(本安型电器指的是电器的电流、电压和功率限制在一个很低安全范围之内，只会产生很小的火花，可以防止在易燃易爆气体中引起爆炸，本安型电器是我国对井下电器产品的强制性标准)。这样复杂和恶劣的条件对井下使用的电子设备提出了一些特殊的要求：必须防潮防水，经得住长期的腐蚀，即便在水下也可以正常工作。经得起磕碰、摔打，在遭到冲击的情况下仍可以正常工作。多个液压支架可以联动，在一个液压支架控制装置出问题时仍可以通过其他液压支架的控制装置进行控制，以便在紧急状态下获得宝贵的时间。所有电器设备的功率指标必须符合本安电器标准的要求，可以防爆。根据这些要求液压支架的控制装置的各个模块的组合有各种方式。
一种方法是将行程和压力传感器、电磁先导阀和CAN总线以外的所有模块统统集成在一起，形成一个集通讯、数据采集、人机交互、数据处理为一体的完整控制单元。如图2所示，这样做的优点是控制器功能强大，运行速度快，单个部件完成支架的控制。缺点是由于控制装置要完成人机交互、电磁阀驱动等操作，控制装置必须在图1中的A或B位置进行选择。如果控制装置布置在A位置虽然人员操作方便，但电磁阀电缆引线较长，影响电磁先导阀和主阀的检修。并且控制器上有操作键盘，容易受砸，损坏，进潮，不利壳体密封防护，容易进潮，控制装置砸坏后会影响整个系统的正常运行。总之，这种结构带来的好处和不利因素的比较，可以说不利因素更多一些，主要是会因为系统易损件出现故障影响系统的，引发系统不可忽略的故障，造成整个系统失效，由于操作界面和受控对象距离较远，且受控对象经常会进行检修等操作，系统连接的电缆引线太长会造成电磁先导阀检修不便，且容易损坏电缆。因此，该结构不够理想。
另一种结构是将支架电液控制系统控制单元分解为控制器和驱动器，如图3所示。将驱动模块切割出来形成驱动器，驱动器完成信号放大，电磁阀驱动。其余部分保留为控制器，控制器完成传感器数据采集、系统程序控制等，驱动器和控制器分别使用单片机进行控制，它们之间通过通讯控制电缆进行信息交互。实际产品是两个盒子，驱动器部分的盒子安装在图1中的B位置，接近电磁阀，便于控制电磁阀。控制器部分的盒子制作为具有显示屏和控制按钮的控制器盒，通过电缆与驱动部分的盒子连接，控制部分的盒子可以引导到图1中的A位置，方便人员操作。这样分割的优点是控制器功能强大，运行速度快，驱动器与电磁先导阀就近布置，方便安装操作。缺点是控制器部分的盒子是一个拖着许多长线(包括左右相邻支架的控制器通讯电缆和本架的传感器信号输入电缆)的操作键盘，安装位置受到限制，操作键盘面向煤壁，操作时面向支架，不便观察动作支架顶底板情况和煤壁情况，不易保护，容易被砸坏、摔坏，造成系统失灵。由于包含较多的模块，一旦损坏整个系统全部瘫痪，相邻的支架控制器也不能对损坏的支架进行控制，一旦有险情后果不堪设想。而且修理困难，费用昂贵。
第三种方法是将控制器中的人机交互模块再分离出来，形成一个专门的人机交互界面盒，形成三个盒子的控制系统。这样做优点和缺点都是明显的。优点是将易损件——键盘从控制器种剥离出来，其他两盒子可以方便的布置在液压支架的任何位置。拖着长线的可以随处使用的人机界面盒结构简单，减少控制键盘的故障率，提高系统的可靠性，同时成本很低，损毁了可以立刻更换。缺点是系统部件多，需要互相通讯，增加了系统部件的故障几率；通讯的复杂化使成本增加，效率降低。
综上所述需要找到一种合适的模块分离的方法，使整个系统成本最低，故障率最低，效率相对高。
【发明内容】
为克服现有技术的问题，本发明提出一种工作面支架控制装置，所述的支架控制装置将支架电液控制系统分解为控制器盒和人机界面盒，控制器盒完成传感器数据采集、电磁阀驱动和系统程序控制，人机界面盒完成人机交互。
本发明的目的是这样实现的：一种工作面支架控制装置包括：与行程压力传感器连接的数据采集模块、CPU、通过CAN总线与其他支架联系的通讯模块、与电磁先导阀连接的驱动模块、人机界面模块，其特征在于，所述的数据采集模块、通讯模块、CPU、驱动模块组成控制单元，所述控制单元安装在一块控制器印刷电路板上，所述的控制器印刷电路板密封在控制器盒壳体内；所述的人机界面模块组成人机界面单元，所述的人机界面单元安装在一块人机界面印刷电路板上，所述的人机界面印刷电路板密封在人机界面盒壳体内，所述的控制单元与人机界面单元通过通讯电缆连接。
本发明产生的有益效果是：将支架控制器可靠性指标低的易损件分离出来，提高了支架控制器的可靠性，同时改善支架控制单元中易损件的工作环境，降低其对控制系统的影响程度，改善人机界面的工作环境，使其尽量避免放置于潮湿不利的环境；人机界面安装时可面向煤壁，方便安装与操作，防止操作键盘被偏帮煤砸损，提高人机界面的可靠性；即便一台支架的人机界面被砸坏或出现故障，可以通过相邻支架的控制器进行操控，并不影响整个系统执行正常的支架控制，最大限度的减少了易损件对系统的影响程度，将不利因素造成的危害降到最低的限度。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是液压支架的外形示意图；
图2是第一种模块分离的原理示意图；
图3是第二种模块分离的原理示意图；
图4是第三种模块分离的原理示意图；
图5是本发明的模块分离的原理示意图；
图6是实施例一中控制器盒的结构示意图；
图7是实施例五中的盒体与盒盖连接位置的结构示意图，是图12的C处放大图；
图8是实施例二中的控制器盒的外形示意图；
图9是实施例二中的控制器盒的后面示意图；
图10是实施例二中的控制器盒的前面示意图；
图11是实施例四中的人机界面单元的原理示意图；
图12是实施例五中的人机界面盒的结构示意图；
图13是实施例六中的人机界面盒的面板示意图。
【具体实施方式】
实施例一：
图5是本实施例的各模块分离的原理示意图，图中所画的只是两个支架控制器的原理框图，实际可以有许多支架控制器其连接在一起，其中一个支架控制器包括：与行程压力传感器连接的数据采集模块、CPU、通过CAN总线与其他支架联系的通讯模块、与电磁先导阀连接的驱动模块、人机界面模块，所述的数据采集模块、通讯模块、CPU、驱动模块组成控制单元，所述控制单元安装在一块控制器印刷电路板上，所述的控制器印刷电路板密封在控制器盒壳体内；所述的人机界面模块组成人机界面单元，所述的人机界面单元安装在一块人机界面印刷电路板上，所述的人机界面印刷电路板密封在人机界面盒壳体内，所述的控制单元与人机界面单元通过通讯电缆连接。
控制单元上配置电磁驱动电路，可与电磁先导阀就近布置，也就是图1中B的位置，使支架控制单元到电磁阀的连接电缆最短，方便控制单元的安装与接线，控制单元上没有操作按钮和用户界面，因此控制单元可以采用较为简捷的结构。
控制单元是以单片机为核心模块的嵌入式操作系统，由电源模块、通讯模块、驱动模块和数据存储模块等电路组成，通讯模块具有4路独立的通讯电路，可以实现与人机界面、左右邻架控制器和工作面监控主机进行数据通信；驱动模块采用大功率驱动芯片进行驱动电路的冗余设计，具有在线检测、过载保护等功能；数据存储模块具有512K的FLASH和512K的SRAM，可供系统存放程序和操作系统运行及其运行数据使用，同时，系统还配置了FRAM，以备修改数据掉电保护，同时也可以存放系统数据。
本实施例所述的支架控制装置采用先进的计算机技术， 选择低功耗、功能强大、具有嵌入式操作系统μC/OS-II的Rabbit3000核心模块，构建支架控制器核心电路，选用大容量的FLASH以存放控制程序及其原始参数选用大容量的SRAM为操作系统提供运行空间和系统运行参数。选用CAN总线控制芯片进行CAN通信电路设计，保证使用4线电缆，就能有两个完全独立的通信回路，从而提高了系统的可靠性。系统采用冗余设计原则，选择大功率的MOS管作为驱动芯片，在驱动回路增加可恢复的限流元件，防止驱动电路发生故障时，导致发生由于系统电流急剧增大产生电源掉电保护，系统不能正常工作。选用高精度A/D芯片进行电源能耗测量和电磁铁工作状态分析，增加了系统新的功能。选用新型材料新型器件OLED进行汉字显示电路的设计，降低了系统显示电路的功耗。
本实施例通过对嵌入式操作系统的深入分析，通过μC/OS-II实时多任务操作系统在芯片上移植，完成编制操作系统在选定CPU模块上的移植，使CPU得到充分应用。
支架控制装置是电液控制系统的核心部件，电液控制系统的控制功能主要由支架控制装置来完成，本实施例的支架控制装置实现了电液控制系统的主要操作功能，使用EEPROM实现了系统参数的掉电保护功能，系统参数可以随时调整，使用能耗检测电路，可以对系统运行能耗进行在线检测，实现了系统驱动电路的在线检测等功能。主要控制功能如下：
①双向邻架单动作控制
●单架单动作控制
实现左右邻架的单动作控制，常用键采用键盘上直接设置单动作快捷按键，直接操作即可实现左右邻架的单动作控制；对于不常操作的单动作如侧护板等，可使用菜单方式使用软键来完成，从而实现16功能支架的全部单动作控制；对于本架根据实际生产需要，只设置本架推溜控制，直接按推溜键，即可完成本架推溜动作，本架推溜保持5分钟。
●单架单动作连锁控制
②双向邻架自动移架程序控制
实现左右邻架的单架自动移架动作控制，在选择好邻架后，按启动键，所选邻架按程序自动实现“降→移→升”动作的自动控制，支架的“降→移→升”动作控制使用压力传感器、位移传感器和时间联合控制，从而实现支架动作闭环控制系统。根据支架架型不同，生产工艺和工作面顶底板的条件来调整控制参数，从而使电液控制系统能够满足不同支架架型和不同工作面的需要。
③双向成组自动移架控制
实现左向(或右向)一组支架“降→移→升”动作的自动控制，在要求工作面条件比较好的时候可以使用这种方式，实现支架的成组快速移架。
④双向成组推溜控制
实现左向(或右向)一组支架推溜动作控制，该功能可以大大提高推溜的工作效率，由于采用了行程传感器控制，可以实现多架同时推运输机并可定量推进，保证运输机缓慢弯曲，避免溜槽连接处产生过大的应力，延长运输机的寿命，同时可以保证工作面运输机的平直性，实现工作面的平直推进，推溜的效果比较好。
⑤双向成组护帮板伸缩控制
实现左向(或右向)一组支架护帮板动作控制。
⑥安全操作：停止控制与急停、闭锁控制
在支架动作出现紧急情况可以分别使用停止、急停与闭锁控制。停止操作主要是停止可视范围内支架正在执行的动作；急停操作可以停止工作面上任意一架正在执行的动作，并将禁止成组动作控制操作；闭锁命令是为工作面支架检修时，对检修架切断电磁阀电源，对检修架的左右邻架采用软件闭锁的方式，禁止检修架及其邻架执行任何动作，从而保证检修人员的安全。急停闭锁命令是一个带自锁的命令，使用闭锁开关进行控制，当闭锁开关按下时，产生急停或闭锁命令，自锁开关拔起时，发出解锁命令，解除急停、闭锁状态。
⑦系统编号与参数修改，并永久保存
系统带有掉电保护的EEPROM单元，用来保存可修改的系统运行参数，这些参数在运行时可以修改，并且能够永久保存。
⑧立柱初撑自保功能
当支架立柱出现漏液时，立柱压力会有所下降，不能保证顶板压力，甚至脱离顶板，为保证对工作面支架顶板的有效管理，设置初撑自保功能，系统定时监测立柱压力，当立柱压力小于某一给定值(系统设定参数，可修改)时，开始自动执行升柱动作，当立柱达到初撑力时，结束本次的自动补液功能。
实施例二：
本实施例是支架控制装置的控制器盒的一个优选方案，所述的控制器盒壳体为金属矩形盒体6，所述的盒体为四周边601与一底面602焊接结合一体，形成一澡盆型，如图6所示。这样制作的目的是方便密封，这样盒体的整体性能较好，不怕磕碰、摔打、冲击，可以最大限度的保护盒中的电子元件。有一与盒体形状和大小相适应的盒盖11，盒盖用螺钉固定在盒体上。盒子中安装控制器焊接电子元件8的印刷电路板7，该电路板由螺钉固定在盒中。盒中灌有密封胶9，密封胶的灌注高度超过电子元件的高度，使电子元件完全在密封胶的包围之中，如图6所示。可以起到非常好的保护作用。由于本实施例必须符合我国矿山设备的本安要求，控制单元采用低功耗设计，所以电器本身的发热量很小，不用担心电器的散热问题。
实施例三：
本实施例是一种支架控制单元的一种电缆插座的安排方式，支架控制单元的外形是一矩形的盒子，如图8所示，为便于辨认和方便连接两侧均安排了连接电缆的插座。盒子一侧作为后侧12配置有8个与驱动模块连接的电磁阀电缆插座，如图9所示。前侧13，如图10所示，配置有2个与通讯模块连接的与左右邻架通讯的4芯电缆插座，1个与CPU连接的与人机界面单元通讯的4芯电缆插座，1个与数据采集模块和行程传感器连接的4芯电缆插座，2个与数据采集模块连接的压力传感器的4芯电缆插座，1个与数据采集模块连接的位置监测传感器的4芯电缆插座。
控制器盒的后侧配置8个电磁阀电缆插座，可以连接8个电磁阀，完成16个控制功能。前侧配置有7个4芯电缆插座，其中2个为左右邻架通讯控制电缆，1个为人机界面通讯控制电缆，1个为行程传感器电缆，2个为压力传感器电缆，另外还有1个是智能口，可以连接采煤机跟机设备进行采煤机位置监测；这样的结构带来的好处是，结构简洁，安装维护较为方便。
实施例四：
本实施例是人机界面单元的优选方案。本实施例的人机界面单元包括：作为核心器件的人机界面CPU、键盘和与键盘连接的键盘扫描电路、显示指令的汉字显示屏和及其与汉字显示屏连接的显示电路、蜂鸣器和与蜂鸣器连接的音响告警电路、急停开关和与急停开关连接的急停锁闭电路、与控制单元进行通讯的与4芯电缆插座连接的通讯电路；所述的键盘电路、显示电路、音响告警电路、急停锁闭电路、通讯电路与人机界面CPU连接，如图11所示。
支架人机界面是以单片机为核心器件的单片机系统电路，由键盘电路、显示电路、蜂鸣器控制电路、急停闭锁电路和通讯电路等组成，键盘电路接收操作键盘操作译码，形成支架控制器要完成的指令；显示电路将键盘操作和接收到的系统显示命令，显示到屏幕上；蜂鸣器控制电路，在键盘操作时，或系统将要执行动作或故障报警时，发出警示；急停闭锁电路检测急停闭锁开关状态，编制急停闭锁命令；通讯电路用来与控制器进行通讯，实现人机界面与控制器之间的数据交换，把键盘操作指令发送到控制器上，同时把系统状态显示信息传送到人机界面。
人机界面是用来实现电液控制系统的人机交互操作，使用人机界面不但可以发出各种控制命令，还可以实现电液控制系统的运行状态显示、故障报警以及参数修改等功能。人机界面将命令通过控制电缆传送到本架控制器，然后本架控制器继续发送或执行接收到的控制命令。
实施例五：
本实施例为人机界面盒的优选方案，如图12所示。人机界面盒壳体为金属矩形盒体，盒体为四周边1501与一底面1502焊接结合一体。在人机界面盒的底部为安装通讯插口16和蜂鸣器21而设置了一个凸起1503。为方便安装盒盖14，盒体的四周边1501敞口端有一金属台阶1504，台阶与周边结合处相邻位置有一凹槽1505，这个凹槽内放置O型密封圈10，如图7所示。有一与四周边形状和大小型适应的盒盖14，盒盖用螺钉固定在金属台阶1504上。盒盖面上布置有按键区、按钮区、汉字显示器，汉字显示采用OLED显示器。在按键区盒盖下面安装有按键印刷线路板18，在按钮区装有蘑菇形急停开关19。为了防水、防潮在人机界面盒中还有一专门放置印刷电路板的内盒17，人机界面的印刷电路板由螺钉固定在内盒中，内盒中灌密封胶9，密封胶的灌注高度超过电子元件的高度。盒的底部一侧有一矩形突起1503，如图12所示，突起的一侧面装有1个4芯电缆插座16，它可与控制器盒上的4芯通讯电缆插座连接，进行数据交换。4芯通讯电缆插座上使用锁紧装置进行插件的紧固，防止运输使用过程中的振动拔脱。人机界面盒底部突起的另一侧安装蜂鸣器21，蜂鸣器是安装在一个专门的蜂鸣器盒20中。蜂鸣器盒向外的一侧有孔，可以放出蜂鸣器的响声。蜂鸣器盒与人机界面盒的连接部位严格密封，蜂鸣器是防水的，蜂鸣器和中也灌注了密封胶。使用人机界面的优点在于方便系统安装，可以将人机界面安装在方便行走，方便操作和维护的地方，可以面向煤壁，防止偏帮煤对操作面板的砸损，改善生产过程中人机界面的物理环境，从而可以大大提高人机界面的可靠性。
实施例六：
本实施例为人机界面盒的盒盖，也就是面板的形式的一种优选的方案，如图13所示。本实施例所述的人机界面盒壳体的盒盖上，也就是面板安排按键区1401和按钮区1402，所述的按键区中的按键上部为盒盖的方形孔下部为密封的硬制板薄膜开关按键。按钮区中的按钮是金属制造的蘑菇型按钮，用于急停、闭锁，进行急停闭锁操作。使用防水蜂鸣器进行操作警示和故障报警。
支架人机界面操作键盘分为4个区域，包括单动作控制区、方向控制区、菜单操作区和启停控制区，分别按照定义的独特功能完成相应的操作，动作区可以直接按下按键就可以执行相应的动作；方向控制区可以选择目标架的操作范围，单架控制时选择的是左右邻架，成组控制时选择的是左右两边的一组支架。菜单操作区可以进行系统菜单操作。启停区可以启动单架自动移架或成组支架的动作。
实施例七：
本实施例是控制单元和人机界面单元的外壳壳体的优选方案。由于井下环境严酷，所以对控制单元和人机界面单元的外壳的要求是十分苛刻的，必须防腐、耐冲击，防潮等等。外壳选用的材料必须符合这些要求，哪一点做不到都会带来不好的影响。符合这些要求的可以是金属，例如不锈钢或其他合金钢，也可以是表面镀有防腐层的其他较便宜的结构钢。也可以使用复合材料，例如高强度玻璃纤维等等，但价格昂贵。本实施例所使用的是不锈钢。不锈钢抗冲击性能较好，防潮、耐腐蚀的性能也较好，即使在水中浸泡也可以使用。
人机操作界面的外壳是由不锈钢制成的，内置微机控制电路，电路板放置在一个固定在操作面板上的长方形容器中，并使用环氧树脂(或硅胶)灌封，人机操作界面的外壳防护等级可达IP68。人机操作界面的一侧配有1个控制电缆的插座，可以连接到本架控制器的人机操作界面通信接口，与本架控制器进行通信，人机操作界面的右侧配有蜂鸣器和用于打压的端口，在人机操作界面的面板上配置有21个操作键，分为方向控制、单动控制、菜单操作和启停控制4个操作区；每个键都配置有一个指示灯，用来进行键盘操作提示和键盘操作导航，另外还有一个电源指示灯和两个状态指示灯，共24个指示灯；配置有一个OLED显示器，可以显示4行8列汉字；配置有一个急停开关和闭锁开关，用来进行急停控制和闭锁操作，急停开关和闭锁开关采用自锁按钮，按下状态被保持。
实施例八：
是实施例所叙述的是在控制单元和人机界面单元中使用的密封胶。密封胶可以使用多种。例如环氧树脂或硅胶或其他密封胶。基本要求是流动性好，使用方便，对电子元件没有腐蚀作用。本实施例使用的是环氧树脂。
通过对控制器结构的分离，使控制器的核心部分(支架控制器)核心电路可以放置于一个开口的壳体中，并使用环氧树脂灌封，从而保证了支架控制器可以放置于水下长期工作，人机界面使用开U型槽，嵌入O型圈密封进行密封，可以在1.2m深水下连续工作，由于人机界面安装方便，可以安装在面朝支架，不易受损的位置，防止偏帮煤砸坏面板，从而提高了人机操作界面的防护等级和防护效果。