综采工作面液压支架主控系统开发

作     者：王培恩 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田慕琴

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：综采工作面 液压支架 主控系统 CAN总线通信 动态调度策略 在线升级 

摘      要：随着煤矿开采技术不断发展,国内煤矿已基本完成全面机械化,智慧矿山、无人值守综采工作面已成为目前煤矿开采技术研究的重点方向。液压支架主控系统作为液压支架电液控制系统的核心,目前在智能化进程中现有控制系统面临着处理能力弱,通信速率慢、实时性差,可发展性不足等缺陷,因此开发一种高性能、高可靠性、低通信延时以及能够适应智能化高速发展的液压支架主控系统对于智能化工作面的建设具有重要的实用价值和现实意义。本文是“山西省“1331工程提质增效建设计划(晋教科[2021]4号)的有机组成部分,也是国家国际合作项目“无人值守工作面液压支架电液控制系统的研制(2013DFA70750)的延申和继续。本文以智能化液压支架主控系统开发为目标,围绕其控制方法、在线升级、智能处理以及通信策略进行了深入研究,主要研究内容如下:控制系统的控制理念和控制策略先进与否直接影响着控制系统的先进性和可靠性,首先以液压支架智能化电控系统为研究目标,经过现场调研,广泛征求煤矿现场操作人员建议的基础上,全面了解国内外研究现状,综合分析智慧矿山建设环境下无人值守工作面液压支架电液控制系统的主要问题,以及适应于无人值守工作面自动化生产发展需求的主控系统工作原理及作业流程,重新规划了主控系统的总体结构和主要功能,制定了总线通信的调度策略框架,制定了系统的技术指标。硬件电路是一个控制系统稳定可靠工作的基础,硬件电路的技术性能直接决定着控制系统的先进程度。重新设计了电源电路,提高电源效率和带载能力;设计了高性能的逻辑处理电路,极大地提高了系统的处理能力;设计了通信速率更快、冗余性更强的通信硬件电路,选取车规级模块,极大地提高了通信的可靠性;重新规划并设计了外围电路,如驱动电路、信息采集电路等,提升了技术性能,减少了空间面积,预留了足够的硬件资源,为无人值守工作面各种控制功能的实现夯实了基础。在此硬件系统的基础上以模块化形式开发了系统控制软件,如邻架通信、总线通信、动作控制、排序功能、在线升级等,实现了对液压支架快速、精准的控制。为了实现主控系统功能更新和参数调整,设计了系统远程在线升级方法,简化了液压支架主控系统升级的操作,降低了维修难度,增强了系统的可扩展性。通信系统是智能化时代的信息传送的“高速公路,针对智能化时代下总线通信面临数据量暴增,总线通信节点冲突变多,存在的低优先级节点“饥饿现象,研究了主控系统的通信模式和调度策略,提出了基于EDF的动态调度策略,极大提升了主控系统通信的公平性,尤其是增强了液压支架主控通讯系统在高负载率情况下的可靠性,解决了综采工作面智能化通信数据量增大导致的总线通信延时、错误等问题。为了检验本文硬件设计方案、软件设计流程和信息高速公路的可行性和先进性,在实验室搭建了无人值守工作面半实物仿真实验平台,通过该平台完成了液压支架主控系统的软硬件综合调试,经过实验验证,本文研发的液压支架主控系统具有很强的处理能力、较低的总线延时、提供了可靠的远程升级手段、满足总体设计要求,为液压支架电液控制系统的智能化打好了基础。