一种嵌入式采煤机控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿相关技术领域，特别是一种嵌入式采煤机控制系统。


背景技术：

2.当前，嵌入式采煤机控制系统主要有两种常用的实现方式。一种是以可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)为主处理模块，以简单集成为主，采用星型拓扑方式设计。plc技术的控制能力较好,可以快速适应采煤机的控制需求,提供可靠的技术控制。采用plc 和变频器相互结合的设计方式可以提高采煤机的可靠性,保障采煤机控制的准确性，提高采煤效率。
3.另一种采煤机控制系统是以主操作控制模块(central controlunit，ccu)为核心设计的，同时配备变频调速控制系统。整个系统包括机外设备、机组电控箱、顺槽设备和通讯设备，系统采用模块化、集成化设计。各个模块集中分布、均自主开发，具有集成度高、成本低的特点，且具备记忆载割功能。boc主控模块通过配置的显示屏与外界进行人机交互，通过通讯设备接收外部所有的传感器数据，电机恒功率自动调节，牵引电机、泵电机具有过载、过热保护功能。
4.以plc为主处理模块的嵌入式采煤机控制系统具有成本低廉、稳定可靠的特点，但同时由其无操作系统，所以软件容易破解，造成备件数据的丢失。plc的运算处理差、存储容量小、技术单一、总线扩展能力差，导致系统的整体性能低，满足不了大型煤矿的采煤要求，仅适用于要求不高的中小型煤矿。以中央控制单元ccu为核心设计的嵌入式采煤机控制系统由于是自己开发的，所以成本较为便宜，备件有保证。但同时产品质量的高低取决于开发者的水平，运算处理、存储能力差，总线扩展能力差、且不宜维护。系统模块化不足、集成度不高、主控制单元程序容易丢失、通讯稳定性也不高。软件开发的功能和人机交互功能差距较大，总体性能远远落后成熟工业计算机。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有嵌入式采煤机控制系统存在的整体性能低，满足不了大型煤矿的采煤要求、主控制单元程序容易丢失、通讯稳定性也不高、通信能力差、人机交互功能落后的技术问题，提供一种嵌入式采煤机控制系统。
6.本实用新型提供一种嵌入式采煤机控制系统，包括：主控制单元、本安隔离网关，所述主控制单元与所述本安隔离网关通过总线通信连接；
7.所述主控制单元包括工业级核心模块、现场可编程门阵列芯片、以及交换机，所述工业级核心模块以及所述现场可编程门阵列芯片之间通信连接，所述工业级核心模块以及所述现场可编程门阵列芯片与所述交换机通信连接，所述交换机通过总线与所述本安隔离网关通信连接。
8.进一步地，所述主控制单元还包括与所述工业级核心模块通信连接的扩展卡。
9.进一步地，还包括与所述总线通信连接的惯性导航装置。
10.进一步地，还包括与所述总线通信连接的综合扩展模块。
11.进一步地，还包括与所述工业级核心模块通信连接的显示屏。
12.进一步地，还包括与所述现场可编程门阵列芯片通信连接的传感器检测器。
13.进一步地，还包括与所述工业级核心模块通信连接的按键检测模块。
14.进一步地，还包括与所述本安隔离网关通信连接的端头站。
15.进一步地，还包括与所述本安隔离网关通信连接的语音报警器。
16.进一步地，还包括与所述本安隔离网关通信连接的无线接收器、以及与所述无线接收器通信连接的无线遥控器。
17.本实用新型通过采用工业级核心模块、现场可编程门阵列芯片作为主控制单元，解决了现有嵌入式采煤机控制系统存在的整体性能低，满足不了大型煤矿的采煤要求、主控单元程序容易丢失、通讯稳定性也不高、通信能力差、人机交互功能落后等问题。同时本实用新型的嵌入式采煤机控制系统采用模块化设计、集成度高，采用集中分布式结构，功能更加完善。操作界面更加方便快捷，增加了控制的准确性和灵敏性。
附图说明
18.图1为本实用新型一种嵌入式采煤机控制系统的系统原理图；
19.图2为本实用新型一种嵌入式采煤机控制系统的主控制单元系统示意图。
20.标记说明
21.1-主控制单元；101-工业级核心模块；102-现场可编程门阵列芯片； 103-交换机；104-扩展卡；2-本安隔离网关；3-总线；4-惯性导航装置；5-综合扩展模块；6-显示屏；7-传感器检测器；8-按键检测模块；9-端头站；10-语音报警器；11-无线接收器；12-无线遥控器。
具体实施方式
22.下面结合附图来进一步说明本实用新型的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
23.实施例一
24.如图1和图2所示，本实用新型一种嵌入式采煤机控制系统，包括：主控制单元1、本安隔离网关2，所述主控制单元1与所述本安隔离网关 2通过总线3通信连接；
25.所述主控制单元1包括工业级核心模块101、现场可编程门阵列芯片 102、以及交换机103，所述工业级核心模块101以及所述现场可编程门阵列芯片102之间通信连接，所述工业级核心模块101以及所述现场可编程门阵列芯片102与所述交换机103通信连接，所述交换机103通过总线3与所述本安隔离网关2通信连接。
26.具体来说，主控制单元1优选为主控计算机(central controlunit,ccu)，安装在采煤机电控箱内。主控制单元1是采煤机电控系统中的核心设备，负责采煤机控制系统逻辑控制和数据处理，用来启动和协调各从机模块。本安隔离网关2优选为本安隔离网关(intrinsicallysafe isolation gateway，isg)，安装在采煤机电控箱外。本安隔离网关2在系统中负责采煤机机身外部本安接口设备的通讯信号隔离、耦合及限幅保护，并实现信
号的转发和数据收集。因为主控制单元1本身有输入输出通道及模拟检测通道，故主控制单元1与本安隔离网关2构成一个最小系统。
27.如图2所示，主控制单元1采用工业级核心模块101与现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)芯片102双核的设计模式。工业级核心模块101优选为arm模块，例如基于arm cortex a9 内核的工业级核心模块，简称a9模块。
28.工业级核心模块101，例如a9模块通过企业即时通讯(enterpriseinstant messaging，eim)接口、普通通用i/o端口(general-purposeinput/output，gpio)接口、串行外设接口(serial peripheralinterface，spi)与fpga相连，通过spi接口、普通gpio接口和千兆车载接口与交换机103相连。通过数字视频接口(digital visualinterface，dvi)与液晶(liquid crystal display，lcd)显示屏相连，配置了can总线、rs485、通用串行总线(universal serial bus，usb)、通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter， uart)等多种通讯方式。fpga配置了控制器域网(controller areanetwork，can)总线、可变数据率控制器域网(can with flexibledata-rate，canfd)总线、rs485、千兆车载等多种通讯方式，交换机103 配置了千兆以太网、千兆车载的通讯方式。
29.主控制单元1采用工业级核心模块101与现场可编程门阵列芯片102 双核的设计模式，具有极高的系统稳定性和协调性。各个模块之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，可以很好地完成控制系统的总体功能和优化处理。同时具有自我诊断功能，可实现对功率器件的过电流检测、过载检测、漏电检测、电机温度检测、控制器输出检测等功能。当其中某一模块出现故障时，主控计算机可以迅速进行故障定位及排除相应故障，具有易于维护、操作简单的特点。
30.本实用新型通过采用工业级核心模块、现场可编程门阵列芯片作为主控制单元，解决了现有嵌入式采煤机控制系统存在的整体性能低，满足不了大型煤矿的采煤要求、主控单元程序容易丢失、通讯稳定性也不高、通信能力差、人机交互功能落后等问题。
31.实施例二
32.如图1和图2所示，本实用新型一实施例中一种嵌入式采煤机控制系统，包括：主控制单元1、本安隔离网关2，所述主控制单元1与所述本安隔离网关2通过总线3通信连接；
33.还包括：与所述总线3通信连接的惯性导航装置4、与所述总线3 通信连接的综合扩展模块5、与所述工业级核心模块101通信连接的显示屏6、与所述现场可编程门阵列芯片102通信连接的传感器检测器7、与所述工业级核心模块101通信连接的按键检测模块8、与所述本安隔离网关2通信连接的端头站9、与所述本安隔离网关2通信连接的语音报警器 10、与所述本安隔离网关2通信连接的无线接收器11、以及与所述无线接收器11通信连接的无线遥控器12；
34.所述主控制单元1包括工业级核心模块101、现场可编程门阵列芯片 102、交换机103、以及与所述工业级核心模块101通信连接的扩展卡104，所述工业级核心模块101以及所述现场可编程门阵列芯片102之间通信连接，所述工业级核心模块101以及所述现场可编程门阵列芯片102与所述交换机103通信连接，所述交换机103通过总线3与所述本安隔离网关2通信连接。
35.具体来说，本嵌入式采煤机控制系统主要包括：主控制单元1、本安隔离网关2、惯
性导航装置4、综合扩展模块5、显示屏6、传感器检测器7、按键检测模块8、端头站9、语音报警器10、无线接收器11、以及与所述无线接收器11通信连接的无线遥控器12。
36.其中主控制单元1、惯性导航装置4安装在采煤机电控箱内部。综合扩展模块5、本安隔离网关2安装在采煤机电控箱外部。传感器检测器7、端头站9、语音报警器10、无线接收器11在采煤机电控箱外部左右两侧各安装一个，按键检测模块8安装在采煤机内部面板按键附近。
37.主控制单元1优选为ccu主控计算机，是采煤机电控系统中的核心设备，负责采煤机控制系统逻辑控制和数据处理，用来启动和协调各从机模块。惯性导航装置4优选为惯性导航装置(inertial navigationsystem，ins)，负责工作面直线度检测，综合扩展模块5在系统中实现电压、电流型等模拟量传感器检测及无源开关量输出。本安隔离网关2 优选为isg本安隔离网关，在系统中负责采煤机机身外部本安接口设备的通讯信号隔离、耦合及限幅保护，并实现信号的转发和数据收集。因为主控制单元1本身有输入输出通道及模拟检测通道，故主控制单元1 与本安隔离网关2通过总线3本身就构成一个最小系统。无线遥控器12 为本安型，无线接收器11接收发射信号，将对应遥控器状态通过总线方式传输到主控制单元1。无线遥控器12与无线接收器11配合使用，实现采煤机遥控功能，同时支持有线控制。语音报警器10播报语音提示信息，实现语音信息报警，端头站9通过有线方式实现采煤机的有线控制，按键检测模块8负责系统面板按键及旋钮的检测。传感器检测器7负责采煤机外部压力、温度、开关等本安传感器的检测，将检测信息变成电信号送入主控制单元1，由主控制单元1对数据线进行处理，实现系统的控制和保护。显示屏6优选为lcd显示屏，对采煤机的工作状态进行实时显示，具备故障查询、故障屏蔽、参数设置等功能。端头站9、语音报警器10、无线接收器11通过用于防爆腔与本安腔间过线的防爆装置13与本安隔离网关2连接。
38.主控制单元1是采煤机电控系统中的核心设备，负责逻辑控制和数据处理功能，用来启动和协调各从机模块，从而控制采煤机完成滚筒转动、摇臂升降、行走、破碎等一些复杂的动作。主控制单元1采用工业级核心模块101 fpga芯片102双核的设计模式，其设计框图如图2所示。
39.如图2所示，工业级核心模块101，例如a9模块通过用于通讯的eim 接口、用于心跳的两个普通gpio接口、用于维护的spi接口与fpga相连，并留有六个备用的普通gpio接口，通过配置用的spi接口、管理用的普通gpio接口和通讯用的千兆车载接口与交换机103相连。通过dvi 接口与lcd显示屏相连，配置了can总线、rs485、usb、uart等多种通讯方式，包括用于多媒体和通讯技术(multimedia and communicationtechnology，mct)通讯的can总线接口、mct电源接口、用于变频器通讯的can总线接口、用于变频器控制的继电器输出接口、备用通讯的 rs485接口、备用电源接口、用于调试的usb接口、电源接口、用于地址的gpio接口、用于刷机的tf卡接口、用于调试的uart接口。工业级核心模块101同时配置了扩展卡104，扩展卡104优选为minipcie扩展卡，支持profibus通信。配置了24v电源接口以及一个用于通讯的profibus 接口。fpga配置了can总线、canfd总线、rs485、千兆车载等多种通讯方式，包括：电源接口、用于通讯的can总线接口、canfd总线接口、rs485 接口。交换机103配置了千兆以太网、千兆车载的通讯方式。
40.本实用新型的嵌入式采煤机控制系统解决了传统嵌入式采煤机控制系统存在的整体性能低，满足不了大型煤矿的采煤要求、主控单元程序容易丢失、通讯稳定性也不高、
通信能力差、人机交互功能落后等问题。同时本嵌入式采煤机控制系统模块化设计、集成度高，采用集中分布式结构，功能更加完善。操作界面更加方便快捷，增加了控制的准确性和灵敏性。
41.本实用新型的嵌入式采煤机控制系统，可以用于井下作业，对提高采煤机的可靠性与工作效率、改善采煤机故障诊断的精度和效率、提高采煤机的自适应性有巨大的帮助。同时还有助于检修人员排除故障、减少采煤机的故障率、提高采煤机可维护性、安全性以及自动化程度。
42.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。