基于RS485总线和实时数据库的液压支架远程控制系统通信设计 -.pdf

第4 7 卷 第1 期 煤炭工程 C OAL E NGI NE ER I NG V0 1 ． 4 7． No ．1 d o i 1 0 ．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 5 O1 0 O8 基于 R S 4 8 5总线和实时数据库的液压 支架远 程控制系统通信设计 林福严，韦成龙，陶 显，程显明，张彦超 中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要 针对现有液压支架 电液控制 系统控制距 离短、通信 实时性差、协议不公开等问题 ， 结合煤矿 开采环境以及无人化 开采 的需要 ，提 出了一种基 于 R S 4 8 5总线和 实时数据库的液压支 架远程控制 系统，介绍 了系统的结构组成 ，设计 了井下远程控制通信 系统以及地 面网络化控制通 信 系统，给 出了通信方案、通信原理以及通信协议 ，并且通过模拟 实验和分析 ，实现了液压支架 的本 地控 制 、远程 控制 以及 井上主 机 的 网络 化控 制 。 关键词 R S 4 8 5总线 ；实时数据库 ；液压支架；远程控制 系统；通信 中图分类号 T D 6 5 ． 1 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 1 - 0 0 2 5 -04 Co mmun i c a tio n De s i g n o f Re mo t e Co nt r o l S y s t e m f o r Hy dr a u l i c S up po r t Ba s e d o n RS 48 5 Bus a nd Re a ltime Da t a b a s e L I N F uy a n，W E I C h e n gl o n g ， T AO Xi a n， C HEN G Xi a nmi n g，Z HAN G Ya nC h a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j in g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e s h o r t c o n t r o l d i s t a n c e， p o o r r e a l t i me p r o p e r t y a n d t h e u n o p e n e d a g r e e me n t o f t h e c u r r e n t e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m f o r h y d r a u l i c s u p p o rt， c o n s i d e r i n g t h e r e q u i r e me n t o f c o a l mi n i n g e n v i r o n me n t a n d u n ma n n e d mi n i n g ， a h y d r a u l i c s u p p o rt r e mo t e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e R S 4 8 5 b u s a n d r e al t i me d a t a b a s e wa s p r o p o s e d ． T h e s y s t e m s t r u c t u r e wa s a n aly z e d， t h e u n d e r gro u n d r e mo t e c o n t r o l c o mmu n i c a t i o n s y s t e m a n d gro u n d n e t w o r k e d c o n t r o l c o mmu n i c a t i o n s y s t e m w e r e d e s i g n e d ， t h e c o mmu n i c a t i o n p l a n ， c o mmu n i c a t i o n t h e o r y a n d c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l s w e r e i n t r o d u c e d ． L o c al a n d r e mo t e c o n t r o l o f h y d r a u l i c s u p p o r t ，a n d g r o u n d n e t wo r k e d c o n t r o l we n r e a l i z e d，t h r o u g h s i mu l a t i o n s a n d a n aly s i s ． Ke y wo r d s R S 4 8 5 b u s ；r e a lt i me d a t a b a s e ；h y d r a u l i c s u p p o rt；r e mo t e c o n t r o l s y s t e m；c o mmu n i c a t i o n 煤炭在我国能源消费结构 中占有重要地位，由于煤炭 开采环境的复杂性，井下设备的远程化控制成为保障煤炭 开采安全的关键。液压支架是综合机械化采煤 中的重要设 备 ，目前 ，电液控制系统在支架控制上应用的比重越来越 大 ，国际上，液压支架电液控制系统主要 有德 国 E E P的 P R Am a t i c 、德国 D B T的 P M 4 、德国 M a r c o的 P M3 2 、美国 J O Y的R S 2 0 ，而在国内，北京天地玛珂公司，郑州煤 矿机械有限公司等也都相继推出各 自的电液控制系统。但 各个公司的控制系统通信协议不公开，以及设备可靠性与 通信实时性的问题 ，制约着我国液压支架控制系统 自动化 的发展 ，而市面上 的液 压支 架 电液控制 系统 只能 实现本 地操作和远程监测 ，并不能真正实现远程控制。针对该问 题，本文设计了一种基于 R S 4 8 5总线和实时数据库的液压 支架远程控制系统，通过模拟实验平台的调试，能够实现 井下远程控制以及地面网络化实时监控。 1 液压支架远程控制系统组成 液压支架远程控制系统主要由两部分组成 ，包括地面 工作站远程监控系统和井下控制系统，系统总体结构如图 1 所示 。地面工作 站是 由地 面监 控主机 、服务器 、交换 机等 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 2 作者简介林福严 1 9 5 8一 ，男 ，河北献县人，教授，博士生导师，从事矿山机械的教学与科研工作 ，Em a i l l i n t y c u mt b ． e d u ． c a 。 引用格式林福严，韦成龙 ，陶显，等．基于 R S 4 8 5总线和实时数据库的液压支架远程控制系统通信设计 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 1 5 ，4 7 1 2 5 2 7 ，3 0 ． 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5年第1 期 组成，通过工业以太网实现综采工作面与地面工作站的无 缝对接 ，主要用于对 井下工 作 面设 备运 行情 况 的监 视 和动 作的实时控制 。井下控制系统主要包括运输巷 主机 设 在运 输巷内 、支架控制器、电源箱、电液控制阀组 电磁先导 阀、主控制阀 ，信号转换原件 压力传感器 、行程传感器、 红外传感器以及倾角传感器 等部件组成。 支架控制器通过驱动电路与电磁阀组相连控制支架动 作，并通过 R S 4 8 5总线与井下运输巷主机通信，将各种传 感器采集的状态信息以及动作信息反馈到系统中，实现液 压支架电液控 制系统 的闭 环控 制。地面工 作站 利用 工业 以 太网与井下运输巷主机相连，通过服务器的数据库实现信 息的存储和交换 ，监控主机可对整个工作面设备的工作过 程 、状态和相关数据进行监视，也可对设备进行远程操作， 能够实现井下设备的远程单个、远程成组控制和液压支架 的跟机自动化操作。 ⋯一一 ⋯．．．⋯ 图 1 液压支架远程控制系统总体结构 图 2井下 远程 控制 通信 系统 设计 2 ． 1 通 信 方案设 计 该系统井下电液控制部分通信采用 R S 4 8 5串行通信方 式，其通信速率为 3 8 4 0 0 b p s ，通过运输巷主机和控制器对 液压吏架进 行状 态 监测 、动 作控 制 。R S 4 8 5是一种 支 持 多 节点、远距离 、接收灵敏度高的总线标准，结构简单、技 术成熟 、造 价低廉 并且 便于 维护，其 传输 速率最 大 为 1 0 Mb p s ，最大传输距 离 为 1 2 0 0 m，采用 平衡 发送 和差 分接 收的方 式 ，具有较 强 的抑 制共模 干 扰 的能力 ，最 高可 以连 接 3 2个节点 ，加人 中继器可 以进行扩展 。 系统 R S 4 8 5通信模块采用 Mo d b u s 通信协议 R T U模式。 Mo d b u s 协议是一种主／ 从式的结构 ，通信方式采用查询应 答模式 ，系统对设备的各个单元进行编号，协议根据设备 的 I D地址进行访问。 控制器通过接收相应的信息控制支架 动作以及返 回支架状态 。系统将井 下运输巷 主机设为 主机 ， 编号为 0 x 0 0，1 二 作面支架控制器设为从机 ，从 0 x 0 1依此编 号，通过这个编号程序可以识别系统中的信息是从哪个地 址发 出来 的，并且能够实现定 向远程控 制。 2 ． 2通 信 原 理 运输巷主机与支架控制器上传输的数据主要分为两类， 2 6 一 类数据为支架动作信息 ，主要用于支架单动作、连续动 作控制，成组和邻架控制，跟机自动化控制等 ；二类数据 为支架状态信息，主要有支架传感器信息、采煤机位置和 运行方向、设备状态等信息 。根据数据种类 ，运输巷主 机向控制器发送控制命令和查询设备状态命令。 主机通过 R S 4 8 5总线周期性发送查询命令，依此查询 支架动作以及状态信息，如果从机接收到命令要求进行 回 应，在确定收到正确信息后 ，控制器将 生成反馈信息并 M o d b u s 协议发 出返 回到运 输 巷主 机 ，其原 理 如 图 2所示 。 查询命令 的功能码 指示从 设备 要执 行的何 种功 能 ，数据 段 包含从设备执行功能的附加信息，包含从何寄存器开始读 以及要读寄存器的数量，信息采用 C R C 循环冗余校验码 校验的方 式进行错 误 检测 ，验证 消 息内 容的正 确性 。从 设 备收到正确命令后做出相应回应 ，数据段包含接收的数据 寄存器值或状态，如果有错误发生 ，功能代码将被修改用 于指出错误，同时数据段包含描述错误信息的代码- o J 。在 支架手动操作时，液压支架的架间通信主要是通过扫描控 制器按键状态，将按键值上传至运输巷主机，然后经过主 机判断发送控制命令进行临架或隔架操作。 顺槽主机查淘信息 [西圃 [亟圃 [ 函 [至圆 控制器 应信息 图2 设备主从查询原理图 2 ． 3通 信协 议设 计 为了适应 适应液 压支架 远程 控制 的需要 ，根据 液』 玉支 架动作控 制及 状态 监测 的要求 ，在 M o d b u s协议 的基 础上 ， 对协议各 部分 功能 进行具 体定 义。运输 巷主机 向电液控 制 器发送控 制命 令的格 式为 主 机编 号 、功能 码 控制 命令 ， 设为0 6 ，液压缸号 要操作支架油缸 立柱 、护帮等 编 号 、操作数 其中命令标记为第 l 5位 ，电磁阀拨向为第 l 4位 ，推移千斤顶长度量为第 01 1 位 ，单位 m m，默认为 0 0 、C R C校验码 差错校验 ，共 8个字节 ，见表 1 。应答 方式返回相同的数据到运输巷主机。下级支架控制器的 应答数据 和主机完全相 同。 表 1 上位机发送控制命令格式 运输巷主机发送设备状态查询命令的格式为设备编 号 支架编号 、功能码 查询命令 ，设定为 0 3 、起始地址 规定0 1 、查询数据个数 暂定为0 6 ，C R C校验 ，共 8 个 字节 ，见 表 2 。 所有设备每周期会查询一次状态，要查询的 1 6位数据 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年第 1 期 煤炭工程 的个数为 6个，分别为①键盘字 l 6位表示控制器键盘 命令，包括急停闭锁、临架操作等；②工作状态字 l 6位 表示各个操作阀对应部件的工作状态，对应液压缸收为 1 ， 伸为 0 ；③设备状态字 l 6位表示各个操作阀和传感器故 障状态，故障为 1 ，正常为 0；④ 推移油缸伸长量 1 6位 用来检测推移千斤顶的位移；⑤前立柱下腔压力 1 6位 用 来检测前立柱的压力；⑥后立柱下腔压力 1 6位 用来检测 后立 柱的压力 。 表2 上位机发送查询状态命令格式 因此下级支架控制器返 回给上位机的数据格式为设 备号 8位 ，功能码 回应 查询 ，设 为 O 3 ，字 节数 查 询 数据 1 2字节 ，定为 0 x 0 C ，查询数据 6个的 l 6位数 、 C R C校验 ，共 1 7个 字节 ，见表 3 。 表3 支架控制器返回上位机命令格式 3 地面工作站网络化监控通信系统设计 3 ． 1 网络化 远程 控 制通信 方案设 计 地面工作站通过工业 以太网与井下运输巷主机通信， 系统由一台地面 网络服务器提供网络管理和路由服务，实 现井上对井下设备的远程监视和操作 7 1 。由于井下运输巷 主机是通过 R S 4 8 5总线的方式与支架控制器通信，传输协 议采用 M o d b u s 协议 ，为了实现井上 与井 下的无缝 对接 ，整 个过程围绕 服务器 的实时数据库来完成。系统采用 S Q L S e r v e r 2 0 0 8数据库管理系统建立实时数据库，利用 A D O技 术进行数据的写入和查询，将井下主机采集到的数据传输 到实时数据库当中。该数据库完成数据的收集和共享工作， 井下液压支架的状态 、网络摄像头的图像信息及地面工作 站的远程控制指令都通过工业以太网集中到数据库中，实 图 3 地面 工作站远程控制方案原理 图 现地面工作站与井下主机相互通信 ，原理如图3所示。 3 ． 2 网络化 远程 控 制的 实现 系统采用实时数据库方法实现地面工作站和运输巷主机 之间的通信，建立控制命令表 c o n t r o l 和状态表 s t a t e 。运输巷 主机采集支架工况信息，包括支架前后柱压力、工作字 采 煤机位置 、键盘字、设备字、推移千斤顶位移 ，并将这些 数据按照表格式插人数据库中，地面监控主机读状态表，实 现对液压支架状态的查询。在井下综采工作面上装有网络摄 像头，将工作实时晴况传递给井上主机，地面监控主机依据 查询支架状态以及摄像头显示的工作情况对井下工作进行远 程控制，按照控制命令表的格式向数据库写数据。控制命令 和运输巷主机控制命令相似，包括支架号、油缸号、动作代 码 油缸伸／ 缩 等，运输巷主机通过执行读数据库操作，完 成对控制命令的转发，经 R S 4 8 5总线传输到支架控制器控制 支架动作 ，实现地面工作站的网络化远程控制功能。基于实 时数据库的网络化远程控制编程流程如图4所示。 地面监 控主机 运输巷主机 图 4 网络化 远程控制程序框图 在利用实时数据库编写远程控制程序之前，先调用 l n i t A D O C o n n 函数来连接数据库，其函数参数为服务器名、 登陆账号、登陆密码和数据库名。当操作者不发送远程控制 指令时，地面工作站软件定时读取数据库状态，在界面上显 示液压支架状态，读取状态函数 S t a t e S e a r c h ，其函数参数 为工作面液压支架数 目，运输巷主机通过总线查询到支架状 态后，按照状态数据包格式调用 S t a t e l n s e r t a l l 函数，将支 架状态传 输 到数 据库。当操 作者 发送 控制命 令，调用 C o n t r o l l n s e r t 写数据库，按照命令数据包格式写数据库，运 输巷主机定 时调用 C o n t r o l S e a r c h 函数读取 服务 器 中指令 ， 如果有来 自地面工作站的指令，保存指令后转化为 Mo d b u s 协议指令通过串 口发送支架控制器实现控制。 4实验及 分析 系统采用运输巷主机轮询下位机控制节点的方式，根 据通信协议，一条控制命令发送 8个字节数据，控制器返 回也是 8 个字节数据，～条查询状态命令是 8个字节，控 制器返回指令是 1 7个字节 ，其中每个数据 1 0位 8个数据 位 、1 个停止位 ，通信总线的速率为 3 8 4 0 0 k b p s 。 控制或查询命令在总线上传输 的时间T ．81 0 ／ 3 8 4 0 0 s 2 ． 0 8 m s 。控制器返 回命令上传时间 81 0 ／ 3 8 4 0 0 s 2 ． 0 8 m s 。控制器返回状态上传时间 1 71 0 ／ 3 8 4 0 0 s4 ． 4 3 ms 。 在不考 虑程序延时及数据处理时间 的情况下 单架查询时间至少需要 TT j 6 ． 5 1 ms 。系统在 1 4 比例缩小的综合机械化采煤工作面教学实验平台 上调 试 ，3 7台支架模型查询一周大约需要 4 0 0 m s的时间。实际 在地面主机远程操作 ，液压支架收伸护帮动作 2～3 s 可以 完成 ，降柱 、移架 、升柱联动动作 1 0 s 内可以完成。 下转 第 3 0页 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5 年第 1 期 矿井正常生产后 ，矿井回风温度基本不受室外气温影响并 且全年都比较恒定 ，前期冬季回风温度按 2 2 ℃；后期冬季 回风温度按 2 5 ℃ ，相对湿度 为 9 0 ％ 。 根据矿井各单体施 工图设计负荷统计，冬季建筑单体 供暖热负荷 8 0 6 1 k W，供 回水温度 6 0 ／ 5 0 C，室外管网阻力 2 6 0 k P a ，接口管径 D 3 7 7 m m x 9 ram 未考虑系统热负荷损失 及机组容量富裕系数及机房内管道及设备阻力 ；冬季井筒 防冻供热热负荷 6 8 2 5 k W，供 回水温度 6 0 ／ 5 0 2 ，室外管网 阻力 3 5 0 k P a ，接口管径 D 2 7 3 m m7 m m；夏季建筑单体冷 负荷 8 7 7 4 k W，供回水温度 7 ／ 1 5 C，室外管网阻力 3 3 5 k P a 。 地热机房管网系统高差约 2 5 m；最大班池浴用水量 3 3 2 m ，水温4 O ℃；最大班淋浴用水量 1 1 6 m ／ h ，水温 6 5 ℃ 均需折合为5 O ℃的热水水量 2 h加热 。 根据矿井回风量计算 回风余热利用负荷矿井移交时 实际需用热负荷 1 2 1 7 8 k W，废热负荷 1 0 6 0 5 ． 8 k W，热负荷 缺额 1 5 7 2 ． 2 k W。后期实际需用热负荷 1 8 2 6 9 k W，废热负荷 2 0 4 6 2 ． 1 k W，热负荷富裕 2 1 9 3 ． 1 k W。 4 ． 2 地热机房装机规模 选择低噪低温 涡旋 水源 热泵机 组。采用 进 口全封 闭 的 涡旋式压缩机，具有效率高、免维护、噪音低、性能稳定 等优点 。 根据冷热负荷统计确定地热机房总装机规模选用制 热量 6 7 2 k W，制热功率 1 5 7 k W，热源水供回水温度 1 8 ／ 8 C， 热水供回水温度5 0 ／ 4 0 C的水源热泵机组 3台；选用制热量 1 3 4 4 k W，热水供 『 口1 水温度 5 0 ／ 4 0 C，制热功率 3 1 4 k W，冷 却水供回水温度 2 8 ／ 3 3 ，冷冻水供 回水温度 7 ／ 1 5 C的水 源热泵机组 1 1台。 矿井回风热能利用水源热泵机房为框排架结构型式 ， 机房平面尺寸 为 4 7 m 2 3 ． 4 m 4 ． 5 高 m。 上接 第 2 7页 5结论 1 针 对井下综 采环境提 出了一种地面远程 控制系统 通 信方 案 ，在基 于井 下 R S 4 8 5总 线远程 控制 的基 础上 ，利 用 实时数据库 和 一 业 以太 网实 现 地面 工 作 站 的 网络 化 交 互 控制 。 2 通过在实验平台调试，本系统可以实现支架的本地 控制、井下主机远程控制和地面工作站网络化控制 ，能够 对支架进行单动作 、成组动作及跟机 自动化的操作 ，对实 现井下 自动化、无人化开采具有一定参考价值。 3 该 通信 方案基本 能够模 拟实 现 3 7台支 架 的远程控 制，但对于实际采面大量支架的情况 ，通信的实时性和可 靠性还有待进一步研究和解决。 参考文献 f 1 ] 张 良．液 压 支架 电液控 制 系统 的应 用 现状及 发 展趋 势 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 3 2 58 ． f 】 地热机房设计统一考虑，分步实施 ；机房土建和管网 前期一次建成，机房位置设在原临时锅炉房附近位置，便 于施工期间供热管网切换使用。建筑室内采暖、空调末端 在单体设计时均采用风机盘管系统；lT业厂房采用空气处 理机 ，侧送 风方式 。矿井井 筒防 冻设备 ，全部选 用 高效 带 风机强制换热的工业热风器，适合低温热水热媒。 5 结语 1 目前 该矿井排风热能回收利用工程 已经 由 专业 的公 司通过合同能源管理模式正在分步分期实施，前期工程去 年冬季已开始供热，矿井生产移交时水源热泵机组供热不 足部分 ，考虑 由施工期 间 临时蒸 汽锅 炉补充 ，矿 井投 产后 不用锅 炉房。 2 矿井排风热能回收利用设计时需详细计算供热制冷 系统阻力 ，选择适合的供热管道和设备运行参数。计算矿 井利用回风热能水源热泵机组供热与常规燃煤锅炉供热的 节能率 、投资回收期等。 参 考文献 [ 1 ] 马最 良，姚杨 ．暖通 空讽 热泵技 术 【 M] ．北 京 中 国建 筑工业出版神 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 张旭．热泵技术 [ M] ．北京 化学工业出版社 ，2 0 0 7 ． [ 3 ] G B 5 0 1 7 6 2 0 1 0，水源热泵设计规范 [ S ] ． [ 4 ] 朱晓彦．矿井 地热能利 用装 置中国 ，Z L 2 0 0 7 2 0 0 3 7 9 2 9 ．7 [ P ] ．2 0 0 70 52 2 ． [ 5 ] 范振忠 ，朱晓彦 ，王元明 ，等．矿井 回风热能提取装置 中 国，Z L 2 0 0 7 2 0 0 4 3 3 5 4 [ P ] ．2 0 0 71 03 0 ． [ 6 ] 北京 中矿赛力 贝特节能科技有限公 司．矿业集 团信 湖煤矿乏 风余热综合利用项 目实施方案 [ R] ．2 0 1 3 ． 责任编辑张 宝优 孙晓健 ，张东来 ．C A N总线 在液压支架 电液控制系统 的应 用 【 j ] ．微计算机信息 ，2 0 0 6 1 7 9 7 9 8，3 ． 李磊 ，宋建成 ，田慕 琴，等．基于 D S P和 R S 4 8 5总线 的 液压支架电液控制通信系统的设计[ J ] ．煤炭 学报 ，2 0 1 0 4 7 0 17 0 4 ． 孙云霄 ，陈颖．R S 4 8 5总线在数据采集系统 中的应用 [ J ] ． 工矿 自动化 ，2 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