一种液压支架电液控制系统及其阀控装置、控制方法.pdf

本发明提出一种液压支架电液控制系统阀控装置，其包括阀体开关阵列、控制单元、开关器件故障检测单元、开关器件驱动单元，其中，阀体开关阵列包括以矩阵方式排列的多个阀体及行控制主备份开关、列控制主备份开关及电源控制主备份开关。当控制单元接收到控制指定位置阀体的控制指令时，通过开关器件驱动单元控制阀体所在行、列控制开关的闭合或断开，使指定阀体接入或离开电源回路从而打开或关断指定阀体，通过开关器件故障检测单元对行、列控制开关的实时检测，及电源控制主备份开关的使用，实现在行、列控制主开关故障情况下向备份开关工作模式的切换。本发明节省开关使用的数量，提高了系统的安全性、可靠性以及生产效率。

1.  一种液压支架电液控制系统中阀体控制装置的阀体开关阵列，所述阵列包括：行控制主开关S41～S4n，行控制备份开关S41′～S4m′，列控制主开关S31～S3m，列控制备份开关S31′～S3m′，电源控制主开关S1、S2，电源控制备份开关S1′、S2′，多个阀体，其中所述多个阀体按矩阵方式连接，形成一个n行、m列的矩阵，1～n行阀体对应行控制主开关S41～S4n及备份开关S41′～S4n′，1～m列阀体对应列控制主开关S31～S3m及备份开关S31′～S3m′，阀体一端作为行节点，另一端作为列节点，一行中各行节点相连与当前行控制主及备份开关的一端相连，一列中各列节点相连与当前列控制主及备份开关的一端相连，各行控制主开关S41～S4n的另一端相连通过电源控制主开关S2与地或电源相连，各行控制备份开关S41′～S4n′的另一端相连通过电源控制备份开关S2′与地或电源相连，各列控制主开关S31～S3m的另一端相连通过电源控制主开关S1与电源或地相连，各列控制备份开关S31′～S3m′的另一端相连通过电源控制备份开关S1′与电源或地相连；
当电源控制主开关全部被闭合时，电源控制备份开关至少有一个被断开，主开关处于工作状态，通过对相应的行、列主开关的打开、闭合来实现阀体的打开、闭合控制；当电源控制备份开关全部被闭合时，电源控制主开关至少有一个被断开，备份开关处于工作状态，通过对相应的行、列备份开关的打开、闭合来实现阀体的打开、闭合控制。

2.  根据权利要求1所述的阀体开关阵列，电源控制主开关S1、S2可仅有其中的一个或两者皆有，当仅有S1时，列控制主开关S31～S3m通过S1与电源或地连接，行控制主开关S41～S4n直接与地或电源相连，当仅有S2时，行控制主开关S41～S4n通过S2与地或电源连接，列控制主开关S31～S3m直接与电源或地相连，当两者皆有时，列控制主开关S31～S3m通过S1与电源或地连接，行控制主开关S41～S4n通过S2与地或电源连接；
电源控制备份开关S1′、S2′可仅有其中的一个或两者皆有，当仅有S1′时，列控制备份开关S31′～S3m′通过S1′与电源或地连接，行控制备份开关S41′～S4n′直接与地或电源相连，当仅有S2′时，行控制备份开关S41′～S4n′通过S2′与地或电源连接，列控制备份开关S31′～S3m′直接与电源或地相连，当两者皆有时，列控制备份开关S31′～S3m′通过S1′与电源或地连接，行控制备份开关S41′～S4n′通过S2′与地或电源连接。

3.  一种包含权利要求1或2所述阀体开关阵列的阀体控制装置，所述阀体控制装置还包括：
开关器件故障检测单元，用于检测所述阀体开关阵列中开关器件的故障状态，当检测到开关器件故障时向控制单元输出告警信息；
开关器件驱动单元，根据控制单元输出的控制信号控制所述阀体开关阵列中各开关的断开或闭合；
控制单元，用于接收来自系统的控制指令信息及开关器件故障检测单元输出的告警信息，控制单元对接收的信息进行判断，如果接收的信息是开关器件故障检测单元的告警提示信号时，根据当前电源控制主或备份开关的工作状态，实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制；如果接收的信息是来自系统的控制指令时，对控制指令判断分析，获取阀体的打开或关闭信息及阀体的所在行、列位置信息，并向开关器件驱动单元输出相应行控制开关和列控制开关的控制信号，开关器件驱动单元根据控制单元输出的控制信号将相应的开关断开或闭合。

4.  根据权利要求3所述的阀体控制装置，其特征在于：所述控制单元进行如下操作实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制，判断当前电源控制开关状态，是电源控制主开关处于工作状态还是备份开关处于工作状态，当主开关为工作状态时，通过开关器件驱动单元将至少一个电源控制主开关断开，并将电源控制备份开关全部闭合，当处于备份开关工作状态时，断开电源控制备份开关，报警提示用户主备份行、列开关均损坏。

5.  根据权利要求3或4所述阀体开关阵列的阀体控制装置，其特征在于：所述控制单元对控制指令进行分析是通过获取需要实施控制的阀体并通过查表获取被控阀体在阀体开关阵列中的行、列信息。

6.  一种包含权利要求3或4所述的阀体控制装置的液压支架电液控制系统。

7.  一种阀体控制装置的阀体控制方法，所述阀体控制装置包括：
权利要求2所述的阀体开关阵列；
开关器件故障检测单元，用于检测所述阀体开关阵列中开关器件的故障状态，当检测到开关器件故障时向控制单元输出告警信息；
开关器件驱动单元，根据控制单元输出的控制信号控制所述阀体开关阵列中各开关的断开或闭合；
控制单元；
所述阀体控制方法包括如下步骤：
控制单元接收来自系统的控制指令信息及开关器件故障检测单元输出的告警信息；
控制单元对接收的信息进行判断；
如果接收的信息是开关器件故障检测单元的告警提示信号时，根据当前电源控制主或备份开关工作状态，实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制；
如果接收的信息是来自系统的控制指令时，对控制指令判断分析，获取阀体的打开或关闭信息及阀体的所在行、列位置信息，并向开关器件驱动单元输出相应行控制开关和列控制开关的控制信号，开关器件驱动单元根据控制单元输出的控制信号将相应的开关断开或闭合。

8.  根据权利要求7所述的阀体控制方法，其特征在于：所述控制单元实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制的步骤进一步包括，判断当前电源控制开关状态，是电源控制主开关处于工作状态还是备份开关处于工作状态，当主开关为工作状态时，通过开关器件驱动单元将至少一个电源控制主开关断开，并将电源控制备份开关全部闭合，当处于备份开关工作状态时，断开电源控制备份开关，报警提示用户主备份行、列开关均损坏。

9.  根据权利要求7或8所述的阀体控制方法，其特征在于：所述控制单元对控制指令进行分析的步骤进一步包括：是通过获取需要实施控制的阀体并通过查表获取被控阀体在阀体开关阵列中的行、列信息。

一种液压支架电液控制系统及其阀控装置、控制方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采业中使用的液压支架电液控制系统，尤其是涉及液压支架电液控制系统中的阀体控制装置及其控制方法。
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，可大大提高生产效率和自动化程度，其阀控装置为液压支架电液阀体的直接控制装置，阀控装置的使用寿命、可靠性、安全性将直接影响整个液压支架电液控制系统的使用寿命、可靠性及安全性。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JOY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的阀控装置，其特点为各阀体的一端与供电电源相连，另一端通过各自的开关器件与供电地连接，通过控制逻辑输出单元控制各开关器件的闭合断开，使相应阀体接入或离开供电回路，从而达到阀体的开关控制。现有的阀控装置主要存在以下二方面的问题：
1)每一个阀体需要一个独立的开关器件来控制其开通和关断，由于液压支架电液控制系统中需要控制的阀体数量较多，随阀体个数的增加所需的开关器件个数增加，导致在增加体积、成本的同时降低了系统的可靠性；
2)仅当一个阀体控制开关器件损坏时，就会引起相应阀体的控制失效，为保证安全生产，则需整个阀控装置更换。设备正常运行时，阀体需频繁工作，开关器件的易损缩短了阀控装置的使用寿命，降低系统的安全性、可靠性和生产效率。
发明内容
本发明旨在公开一种液压支架电液控制系统阀控装置中阀体开关阵列，以克服上述现有技术中所存在的缺点，并提供一个使用寿命长、可靠性高、安全性高的液压支架电液控制系统阀控装置。在不增加或少增加开关器件的情况下，建立一个独立的阀控容错单元，当其中一个控制单元失效时，启动另一备份单元，仅给出相关故障告警，不影响安全性和正常生产。
本发明提供一种液压支架电液控制系统中阀体控制装置的阀体开关阵列，所述阵列包括：行控制主开关S41～S4n，行控制备份开关S41′～S4n′，列控制主开关S31～S3m，列控制备份开关S31′～S3m′，电源控制主开关S1、S2，电源控制备份开关S1′、S2′，多个阀体，其中所述多个阀体按矩阵方式连接，形成一个n行、m列的矩阵，1～n行阀体对应行控制主开关S41～S4n及备份开关S41′～S4n′，1～m列阀体对应列控制主开关S31～S3m及备份开关S31′～S3m′，阀体一端作为行节点，另一端作为列节点，一行中各行节点相连与当前行控制主及备份开关的一端相连，一列中各列节点相连与当前列控制主及备份开关的一端相连，各行控制主开关S41～S4n的另一端相连通过电源控制主开关S2与地或电源相连，各行控制备份开关S41′～S4n′的另一端相连通过电源控制备份开关S2′与地或电源相连，各列控制主开关S31～S3m的另一端相连通过电源控制主开关S1与电源或地相连，各列控制备份开关S31′～S3m′的另一端相连通过电源控制备份开关S1′与电源或地相连；
当电源控制主开关全部被闭合时，电源控制备份开关至少有一个被断开，主开关处于工作状态，通过对相应的行、列主开关的打开、闭合来实现阀体的打开、闭合控制；当电源控制备份开关全部被闭合时，电源控制主开关至少有一个被断开，备份开关处于工作状态，通过对相应的行、列备份开关的打开、闭合来实现阀体的打开、闭合控制。
其中，电源控制主开关S1、S2可仅有其中的一个或两者皆有，当仅有S1时，列控制主开关S31～S3m通过S1与电源或地连接，行控制主开关S41～S4n直接与地或电源相连，当仅有S2时，行控制主开关S41～S4n通过S2与地或电源连接，列控制主开关S31～S3m直接与电源或地相连，当两者皆有时，列控制主开关S31～S3m通过S1与电源或地连接，行控制主开关S41～S4n通过S2与地或电源连接；
电源控制备份开关S1′、S2′可仅有其中的一个或两者皆有，当仅有S1′时，列控制备份开关S31′～S3m′通过S1′与电源或地连接，行控制备份开关S41′～S4n′直接与地或电源相连，当仅有S2′时，行控制备份开关S41′～S4n′通过S2′与地或电源连接，列控制备份开关S31′～S3m′直接与电源或地相连，当两者皆有时，列控制备份开关S31′～S3m′通过S1′与电源或地连接，行控制备份开关S41′～S4n′通过S2′与地或电源连接。
本发明还提供一种包含上述阀体开关阵列的阀体控制装置，所述阀体控制装置还包括：
开关器件故障检测单元，用于检测所述阀体开关阵列中开关器件的故障状态，当检测到开关器件故障时向控制单元输出告警信息；
开关器件驱动单元，根据控制单元输出的控制信号控制所述阀体开关阵列中各开关的断开或闭合；
控制单元，用于接收来自系统的控制指令信息及开关器件故障检测单元输出的告警信息，控制单元对接收的信息进行判断，如果接收的信息是开关器件故障检测单元的告警提示信号时，根据当前电源控制主或备份开关的工作状态，实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制；如果接收的信息是来自系统的控制指令时，对控制指令判断分析，获取阀体的打开或关闭信息及阀体的所在行、列位置信息，并向开关器件驱动单元输出相应行控制开关和列控制开关的控制信号，开关器件驱动单元根据控制单元输出的控制信号将相应的开关断开或闭合。
其中，所述控制单元进行如下操作实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制，判断当前电源控制开关状态，是电源控制主开关处于工作状态还是备份开关处于工作状态，当主开关为工作状态时，通过开关器件驱动单元将至少一个电源控制主开关断开，并将电源控制备份开关全部闭合，当处于备份开关工作状态时，断开电源控制备份开关，报警提示用户主备份行、列开关均损坏。
优选地，所述控制单元对控制指令进行分析是通过获取需要实施控制的阀体并通过查表获取被控阀体在阀体开关阵列中的行、列信息。
本发明还提供一种包含上述阀体控制装置的液压支架电液控制系统。
本发明还提供一种上述阀体控制装置的阀体控制方法，包括如下步骤：
控制单元接收来自系统的控制指令信息及开关器件故障检测单元输出的告警信息；
控制单元对接收的信息进行判断；
如果接收的信息是开关器件故障检测单元的告警提示信号时，根据当前电源控制主或备份开关工作状态，实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制；
如果接收的信息是来自系统的控制指令时，对控制指令判断分析，获取阀体的打开或关闭信息及阀体的所在行、列位置信息，并向开关器件驱动单元输出相应行控制开关和列控制开关的控制信号，开关器件驱动单元根据控制单元输出的控制信号将相应的开关断开或闭合。
优选地，所述控制单元实现电源控制主开关向备份开关工作模式的切换或报警信息输出的选择控制的步骤进一步包括，判断当前电源控制开关状态，是电源控制主开关处于工作状态还是备份开关处于工作状态，当主开关为工作状态时，通过开关器件驱动单元将至少一个电源控制主开关断开，并将电源控制备份开关全部闭合，当处于备份开关工作状态时，断开电源控制备份开关，报警提示用户主备份行、列开关均损坏。
优选地，所述控制单元对控制指令进行分析的步骤进一步包括：是通过获取需要实施控制的阀体并通过查表获取被控阀体在阀体开关阵列中的行、列信息。
通过阀体矩阵式排列、使用行和列控制开关、使用电源控制主备份开关以及行列控制开关备份，克服现有技术中多阀体的驱动控制方法的缺陷，延长了液压支架电液控制系统阀控装置的使用寿命，提高了系统的安全性、可靠性以及生产效率。
附图说明
图1是现有技术的阀控装置结构图；
图2是本发明容错的矩阵式阀体控制装置结构图；
图3是本发明阀控装置中阀体及开关阵列结构图；
图4是本发明阀控装置的阀体、开关控制方法实现流程图；
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的阀控装置的结构，所述阀控装置包括阀体及开关阵列1、开关器件故障检测单元2、控制单元3、开关器件驱动单元4。控制单元3用于接收控制指令并将其转换为阀体及开关阵列1中相应开关器件的控制逻辑，开关器件驱动单元4根据开关器件的控制逻辑驱动阀体及开关阵列1中的相应开关器件，开关器件故障检测单元2用于检测阀体及开关阵列1中有效开关器件的故障状态，当检测到开关器件故障时向控制单元3输出告警提示信号。
图3示出本发明提供的液压支架电液控制系统阀控装置中阀体及开关阵列结构，所述阀体及开关阵列包括阀体阵列、阀体电源控制主开关S1、阀体电源控制主开关S2、n行阀体矩阵各行控制主开关S41～S4n、m列阀体矩阵各列控制主开关S31～S3m、阀体电源控制备份开关S1′、阀体电源控制备份开关S2′、n行阀体矩阵各行控制备份开关S41′～S4n′、m列阀体矩阵各列控制备份开关S31′～S3m′(其中m、n为自然数)。其中，电源控制主开关可包含S1和S2中的任何一个或两者均包含，电源控制备份开关可包含S1′和S2′中的任何一个或两者均包含，其电源和地的位置可以相互调换；各阀体按矩阵方式排列行，阀体的一端作为行节点另一端作为列节点，同一行阀体各行节点相互连接，同一列阀体各列节点相互连接；行控制主开关S41～S4n及备份开关S41′～S4n′的一端相应地连接在一起并分别与阀体矩阵1～n行相连，列控制主开关S31～S3m及备份开关S31′～S3m′的一端相应地连接在一起并分别与阀体矩阵1～m列相连；各行控制主开关S41～S4n的另一端连结在一起与电源控制主开关S2相连或直接与电源或地相连(当电源控制主开关中只包含S1时)，各行控制备份开关S41′～S4n′的另一端连结在一起与电源控制备份开关S2′相连或直接与电源或地相连(当电源控制备份开关中只包含S1′时)；各列控制主开关S31～S3m的另一端连结在一起与电源控制主开关S1相连或直接与电源或地相连(当电源控制主开关中只包含S2时)，各列控制备份开关S31′～S3m′的另一端连结在一起与电源控制备份开关S1′相连或直接与电源或地相连(当电源控制备份开关中只包含S2′时)；当包含电源控制主开关S1时，S1的另一端与电源相连，当包含电源控制备份开关S1′时，S1′的另一端与电源相连；当包含电源控制主开关S2时，S2的另一端与地相连，当包含电源控制备份开关S2′时，S2′的另一端与地相连。
电源控制主开关S1和S2用于控制各行控制主开关S41～S4n和各列控制主开关S31～S3m的有效性，当S1、S2均开通时各主开关对阀体的控制有效，当S1、S2中任一个或全部断开时，各主开关对阀体的控制无效；电源控制备份开关S1′和S2′用于控制各行控制备份开关S41′～S4n′和各列控制备份开关S31′～S3m′的有效性，当S1′、S2′均开通时各备份开关对阀体的控制有效，当S1′、S2′中任一个或全部断开时，各备份开关对阀体的控制无效；各行、列的主、备份开关用于控制阀体的开关，当主开关有效时，同时打开某一行、列的控制主开关时，阀体矩阵中相应行列的阀体被打开。
图4示出阀控装置的阀体、开关控制方法实现流程图，以包含S1、S2、S1′、S2′为例，但仅是示例性说明，不对本发明的范围作限制。其中，电源控制开关S1、S1′接电源，电源控制开关S2、S2′接地为例进行说明。初始状态下各主、备份行、列控制开关、电源控制备份开关为断开状态，电源控制主开关S1、S2为闭合状态，使各行控制主开关S41～S4n及各列控制主开关S31～S3m对阀体的控制有效，各行、列备份开关无效。开关器件故障检测单元2在电源控制主开关有效状态下，实时检测行、列控制主开关S41～S4n及S31～S3m，在电源控制备份开关有效状态下，实时检测行、列控制备份开关S41′～S4n′及S31′～S3m′，当检测到有开关器件损坏时向控制单元3输出告警提示信号，由阀控装置中的控制单元3实现对阀体开关的控制，具体实现过程如下：控制单元3接收来自系统的控制指令信息及开关器件故障检测单元2输出的告警信息，控制单元3对接收的信息进行判断，如果接收的信息是开关器件故障检测单元2的告警提示信号时，判断当前电源控制开关状态，是电源控制主开关处于有效状态还是备份开关处于有效状态，当主开关为有效状态时，通过开关器件驱动单元4将电源控制主开关S1和S2断开，并将电源控制备份开关S1′和S2′闭合，当处于备份开关有效时，断开电源控制备份开关S1′和S2′，报警提示用户主备份行、列开关均损坏；如果接收的信息是来自系统的控制指令时，对控制指令判断以确定是否是阀体的打开或关闭指令，如果是打开或关闭指令，则对指令进行解析以确定需要实施控制的阀体并通过查表获取被控阀体在阀体及开关阵列中的位置即获取其所在行、列的信息，假定获取到的控制指令经解析后确定为打开位于x行y列位置的阀体，控制单元3输出行控制开关S4x(电源控制主开关有效时)或S4x′(电源控制备份开关有效时)和列控制开关S3y(电源控制主开关有效时)或S3y′(电源控制备份开关有效时)的控制信号，开关器件驱动单元4根据控制单元3输出的控制信号将开关S4x(电源控制主开关有效时)或S4x′(电源控制备份开关有效时)和S3y(电源控制主开关有效时)或S3y′(电源控制备份开关有效时)闭合，使指定阀体接入电源回路中从而将指定阀体打开，当接收到的控制指令为将相同位置上的阀体关闭时，开关器件驱动单元4根据控制单元3输出的控制信号将开关S4x(电源控制主开关有效时)或S4x′(电源控制备份开关有效时)和S3y(电源控制主开关有效时)或S3y′(电源控制备份开关有效时)关断，使指定阀体失电从而将指定阀体关闭。
由上可见，本发明主、备份阵列中各行、列控制开关的控制信号线相互连接在一起，在不改变控制单元输出的行、列开关控制信号的情况下实现主备份的切换，并给出报警提示用户主开关损坏，当各行、列控制备份开关中亦有损坏时，开关器件故障检测单元2向控制单元3输出告警提示信号，控制单元通过开关器件驱动单元4将断开电源控制备份开关S1′和S2′并报警提示用户主、备份均损坏。可见，本发明通过控制行、列开关器件实现对阵列式连接排放的阀体的控制，与现有技术相比使用相对较少的开关器件实现了相同较多数量的阀体的控制，从而节省成本提高了系统的可靠性；通过使用行列控制主备份开关、开关器件故障检测单元、电源控制主备份开关，延长系统的使用寿命，提高了系统的安全性、可靠性和生产效率。