устройство управления для подземных горных разработок

Формула изобретения

1. Устройство управления для выполнения задач управления в подземных горных разработках, содержащее аппаратные средства модульной конструкции, включающие в себя центральный блок с микропроцессором (11; 31) и приданные ему, программируемые блоки (12, 13; 32, 33) памяти для хранения и обработки программ, и блок сопряжения для связи устройства (1; 100) управления с другими устройствами управления и/или управляемыми исполнительными органами, датчиками и т.п. и блоком коммутации со средствами ручного ввода управляющих команд и/или со средствами индикации данных, рабочих состояний или функций, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один блок памяти в центральном блоке (10, 30) является предпочтительно произвольно программируемой матрицей FPGA (14; 34), и аппаратные средства центрального блока (10, 30), блока сопряжения (20, 40) и блока коммутации (50) выполнены в виде модулей соответственно B1, B2, В3, A1, A2, A3 и C1, C2, С3, причем аппаратные средства модулей B1, B2, В3 различаются по типу процессора и тем самым по производительности, потребляемому току, разрядности шины данных, по объему и типу блоков оперативной и флэш-памяти, а также по объему матрицы FPGA, модули A1, A2, A3 различаются по числу, типу и выполнению групп разъемов (23, 24, 25, 43, 44, 45), а также по техническим характеристикам схем ввода (21, 41), а модули С1, C2, С3 отличаются в отношении возможностей ввода, числа и типа элементов выводимых данных, а также потребляемой мощности, и модули A1, А2, A3 (40) и C1, C2, C3 (50) снабжены информационным элементом (46, 52), выполненным с возможностью связи с модулями B1, B2, В3 (30) в местах сопряжения через механически или электрически стандартизированные интерфейсы модулей, причем в состоянии связи и после включения микропроцессору (31) модулей B1, B2, В3 (30) после автоматического считывания известны все имеющиеся и сохраненные в информационных элементах (46, 52) данные об аппаратных компонентах, и таким образом модули (B1, B2, В3, А1, А2, A3, C1, C2, С3) для центрального блока, блока сопряжения и блока коммутации имеют возможность по принципу агрегатирования преимущественно произвольно объединяться и связываться между собой в аппаратные средства устройства управления для обеспечения разной производительности и/или функциональных возможностей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с помощью матрицы FPGA (14; 34) обеспечивается возможность конфигурирования функциональных возможностей разъемов (23, 24, 25; 43, 44, 45) или схем (21;41) в модуле (40) блока сопряжения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что матрице FPGA (14; 34) придан блок (13; 33) флэш-памяти.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что загружаемые в блок (13; 33) памяти программы иерархически составлены по многоуровневому принципу или принципу агрегатирования из отдельных, хранящихся преимущественно в разных библиотеках драйверов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в одной библиотеке хранятся базовые драйверы для управления, срабатывания и работы аппаратных компонентов или функциональные компоненты матриц FPGA (14; 34), а в другой библиотеке - ориентированные на пользователя драйверы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, модули (20; 40) блока сопряжения выполнены отказозащищенными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству управления для выполнения задач управления в подземных горных разработках, содержащему аппаратные средства модульной конструкции, включающие в себя центральный блок с микропроцессором и приданным ему программируемым блоком памяти для хранения и обработки программ, и блок сопряжения для связи устройства управления с другими устройствами управления и/или управляемыми исполнительными органами, датчиками и т.п.

В подземных горных разработках существуют тенденции к обеспечению возможности реализации систем управления для различных областей применения с использованием в максимальной степени универсальных и унифицированных по своей конструкции устройств управления, чтобы в отношении аппаратных средств сократить расходы на разработку, производство, пуск в эксплуатацию и хранение запасных частей. Основной областью применения соответствующих систем управления является подземная электрогидравлическая щитовая крепь для угледобычных машин со стругом или комбайнов с барабаном, поскольку у соответствующих угледобычных машин приходится включать большое число исполнительных органов или датчиков. В одной определенной лаве используется множество выполненных идентичными устройств управления в расположенных рядом друг с другом щитах. В другой лаве, напротив, требования к устройству управления могут измениться, поскольку должны будут срабатывать другие исполнительные органы или датчики и/или с помощью системы управления должны выполняться другие управляющие программы. В то же время встроенное в устройства управления программное обеспечение также должно быть согласовано с различными аппаратными средствами и/или различными задачами управления.

Задачей изобретения является создание устройств управления для задач управления в подземных горных разработках, которые учитывали бы описанные выше тенденции.

Эта задача решается, согласно изобретению, в отношении производства аппаратных средств за счет того, что центральный блок и блок сопряжения выполнены в виде модулей, причем для центрального блока и блока сопряжения предусмотрены модули разной производительности и/или функциональных возможностей, которые по принципу агрегатирования преимущественно произвольно могут объединяться и связываться между собой в аппаратные средства устройства управления. За счет модульного выполнения всех узлов устройств управления, а именно, с одной стороны, узла, определяемого как «центральный блок», а с другой стороны, узла, определяемого как «блок сопряжения», можно с ограниченным числом выполненных по-разному центральных блоков или блоков сопряжения с обеспечением мелкосерийного производства отдельных узлов создавать устройства управления, которые по существу оптимально согласованы с задачами управления, при этом требуется проектировать их с запасом по потребляемой мощности или по функциональным возможностям, что сделало бы их более дорогостоящими. Модули центрального блока и модули блока сопряжения могут отличаться, в частности, по производительности, потребляемому току и функциональным возможностям. В центральном блоке могут быть реализованы процессоры и вычислительная среда для процессоров, отличающиеся по типу и, тем самым, по вычислительной мощности, потребляемому току, разрядности шины данных, а также по объему и типу энергозависимых и энергонезависимых блоков памяти. Модули блока коммутации могут отличаться, в частности, по числу, типу и выполнению разъемов, рабочим характеристикам интерфейсов и т.п.

В особенно предпочтительном выполнении устройство управления, согласно изобретению, включает в себя дополнительный модуль для «блока коммутации» со средствами ручного ввода управляющих команд и/или со средствами индикации данных, рабочих состояний или функций, причем модули блока коммутации с различными средствами ввода и средствами индикации могут предпочтительно произвольно объединяться и связываться с модулями центрального блока и блока сопряжения, чтобы и здесь реализовать принцип агрегатирования с экономией расходов при производстве соответствующих модулей. Образующие блок коммутации модули могут отличаться по числу и виду возможностей ввода (выключатели, кнопки и т.д.), числу и виду элементов отображения (ЖК-индикаторы, дисплеи), а также потребляемой мощности.

Связь и возможность объединения отдельных модулей между собой могут быть обеспечены посредством механически и электрически стандартизированных интерфейсов и элементов сопряжения между модулями, причем понятно, что в предпочтительном выполнении все модули выполнены с возможностью их размещения соответственно в унифицированном корпусе с унифицированными монтажными средствами. В частности, предпочтительно, если модуль блока коммутации и/или модуль блока сопряжения снабжен информационным элементом, в котором встроенные аппаратные компоненты или свойства аппаратных средств модуля хранятся с возможностью их автоматического считывания центральным блоком. За счет соответствующих информационных элементов (сигнатурные блоки) и их автоматического считывания при запуске, т.е. при загрузке устройства управления, автоматически и независимо от программного обеспечения достигается то, что все имеющиеся в распоряжении в устройстве управления аппаратные средства будут распознаваться центральным блоком.

Для решения поставленной задачи, согласно изобретению, по меньшей мере, один блок памяти в центральном блоке может состоять преимущественно из произвольно программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA). При соответственно согласованном выполнении блока сопряжения это дает то особое преимущество, что с помощью матрицы FPGA функциональные возможности разъемов в блоке сопряжения можно произвольно конфигурировать и, тем самым, согласовывать посредством программного обеспечения с различными функциональными возможностями. С тем чтобы посредством матриц FPGA функциональные возможности, в частности блока сопряжения, можно было согласовать с различными поставленными задачами и реализовать различные интерфейсы, протоколы связи, управление данными, цифровые фильтры, регуляторы и т.п., особенно предпочтительно, если матрице FPGA придан, по меньшей мере, один блок флэш-памяти, следовательно, повторно записываемый энергонезависимый блок памяти, в котором хранятся и, при необходимости, могут быть запрошены программные коды для создания различных функциональных возможностей или структур посредством матрицы FPGA.

Для решения поставленной задачи, согласно изобретению, может быть также предусмотрено, что загружаемые в блок памяти программы иерархически составлены по многоуровневому принципу или принципу агрегатирования из отдельных, хранящихся преимущественно в разных библиотеках драйверов. Комбинация модульной структуры центрального блока, блока сопряжения и/или блока коммутации вместе с унификацией программных кодов, записываемых в соответствующие библиотеки среды поддержки разработки, позволяет осуществлять замену модулей независимо от пользователя и одновременно сохранять функциональные возможности устройства управления. Для применения в подземных горных разработках, в частности, предусмотрено, что, по меньшей мере, модули блока сопряжения выполнены отказозащищенными.

Изобретение поясняется с помощью схематичных примеров выполнения. На чертежах показано следующее:

фиг. 1 - схема конструкции устройства управления, согласно изобретению, в соответствии с первым примером выполнения;

фиг. 2 - схема конструкции устройства управления, согласно изобретению, в предпочтительной форме выполнения;

фиг. 3 - схема, иллюстрирующая принцип агрегатирования для устройств управления по фиг. 2.

На фиг. 1 ссылочной позицией 1 обозначено программируемое электронное устройство управления для решения различных задач управления в подземных горных разработках. Задачи управления могут касаться подземной щитовой крепи с электрогидравлическими щитами, редукторов транспортеров, комбайнов с барабанами, мобильных транспортных средств, а также частично режущих машин или монорельсовых подвесных дорог. Предпочтительным применением является подземная щитовая крепь с распределенными по длине лавы щитами, управляемыми по отдельности через шину данных и контролирующими датчики на соответствующей щитовой крепи, а также приводящими в действие исполнительные органы, такие как электрогидравлические клапаны, чтобы вдвигать и выдвигать подъемные стойки на щитовой крепи или передвигать щитовую крепь в направлении выемки путем вдвигания и выдвигания цилиндра для передвижки. Электрогидравлическая щитовая крепь известна, так что более подробного описания здесь не требуется.

Устройство 1 управления выполнено модульным, причем модуль, образующий центральный блок устройства 1 управления, обозначен ссылочной позицией 10, а модуль, образующий блок сопряжения устройства 1 управления, - ссылочной позицией 20. Оба модуля 10, 20 расположены в выполненном пригодным для подземных горных разработок корпусе 3 (подробно не показан). Модуль, образующий центральный блок, содержит в качестве центрального элемента микропроцессор 11 и соответствующую среду для работы микропроцессора. Микропроцессор 11 оборудован в модуле 10 центрального блока оперативной памятью 12, флэш-памятью 13 и матрицей FPGA 14, которые вместе со схемными платами и/или кабелями образуют аппаратные средства модуля 10. Модуль 20 блока сопряжения содержит схематично изображенные аналоговые и цифровые схемы 21 ввода/вывода (схемы I/O), а также на обратной стороне 4 корпуса 3 несколько разъемов 22, 23, 24 с выполненными, при необходимости, по-разному, штепселями (не показаны), чтобы с помощью устройства 1 управления можно было запрашивать сигналы от подключенных, например, к разъему 23 датчиков и подавать к подключенным, например, к разъему 24 исполнительным органам управляющие сигналы. Разъемы 23, 24, 25, выполненные преимущественно по типу защиты от воспламенения отказозащищенными, имеют многофункциональное применение, поскольку функциональные возможности разъемов 23, 24, 25 посредством схемы 21 и взаимодействующей со схемой 21 матрицы FPGA 14 можно произвольно изменять, составлять или дополнять. Для этого во флэш-памяти 13 хранятся подходящие программные драйверы для конструкции матрицы FPGA 14 с необходимыми для соответствующих управляющих задач устройства 1 управления функциональными компонентами и соответствующими драйверами, что подробно поясняется ниже. Флэш-память 13 служит, следовательно, для того, чтобы хранить конструкцию матрицы FPGA 14, драйверы для процессора 11, оперативную память 12 и схемы 21, включая соответствующие программные коды для выполнения различных задач управления.

На фиг. 2 ссылочной позицией 100 обозначено программируемое электронное устройство управления для выполнения задач управления в подземных горных разработках, состоящее из трех модулей 30, 40, 50. Модуль 30 образует центральный блок и содержит, как в примере выполнения на фиг. 1, микропроцессор с соответствующей средой 31, оперативную память 32, флэш-память 33 и матрицу FPGA 34. Аналоговый или цифровой обмен данными обозначен на фиг. 2 сплошными стрелками. Модуль 40 блока сопряжения содержит аналоговые и цифровые схемы 41, функциональные возможности которых могут многофункционально устанавливаться посредством конструкции матрицы FPGA 34, а на обратной стороне 104 корпуса 103 находится множество разъемов или групп разъемов 43, 44, 45 с подходящими штепселями т.п. Блок 40 сопряжения содержит информационный элемент 46 в качестве сигнатурного блока, в котором хранятся автоматически считываемые данные тех аппаратных компонентов, которые имеются в аналоговых и цифровых схемах 41 и разъемах 43, 44, 45. Информационный элемент 46 может считываться посредством микропроцессора 31, как это обозначено штрихпунктирной стрелкой 36, так что микропроцессору 31 и, тем самым, центральному блоку 30 после включения устройства 100 управления известно, какие аппаратные компоненты имеются в блоке 40 сопряжения.

Устройство 100 управления содержит третий модуль 50 блока коммутации со схематично обозначенными ссылочной позицией 51 подходящими дисплеями или индикаторными устройствами и/или клавиатурами для ввода управляющих команд. Дисплеи и клавиатуры доступны или видны с передней стороны 105 устройства 100 управления. В модуль 50 блока коммутации встроен информационный элемент 52 в качестве сигнатурного блока, в котором с возможностью считывания хранится информация о том, какие клавиатуры и индикаторные устройства 51 в качестве аппаратных средств имеются в модуле 50. Также информационный элемент 52 выполнен с возможностью автоматического считывания подходящим образом с помощью микропроцессора 31 центрального блока 30, как это обозначено штрихпунктирной стрелкой 37. Модули 40, 50 выполнены с возможностью связи с модулем 30 центрального блока в местах 102, 107 сопряжения через механически или электрически стандартизированные интерфейсы, причем в состоянии связи и после включения устройства 100 управления ему за счет информационных элементов 46, 52 автоматически известны все имеющиеся аппаратные компоненты.

Конструкция устройства 100 управления с тремя модулями 30, 40, 50, связанными между собой через стандартизированные интерфейсы, дает то особое преимущество, что для выполнения различных задач управления в подземных горных разработках могут быть созданы устройства управления, аппаратные средства которых, в основном, оптимально согласованы с задачами управления без избыточного или недостаточного расчета по потребляемой энергии, потребляемой мощности, производительности и т.д. На фиг. 3 показано, как множество различных устройств 100А, 100В, 100С, 100D, 100Е управления по принципу агрегатирования могут быть составлены соответственно из трех различных вариантов модулей 30, 40, 50. Различные варианты выполнения модулей 30 обозначены на фиг. 3 ссылочными позициями В1, В2, В3, различные варианты выполнения модулей 40 - ссылочными позициями А1, А2, А3, а различные варианты выполнения модулей блока 50 коммутации - ссылочными позициями С1, С2, С3. Как уже говорилось, аппаратные средства в вариантах В1, В2, В3 модуля 30 могут отличаться по типу процессора и, тем самым, по производительности, потребляемому току, разрядности шины данных, по объему и типу блоков оперативной и флэш-памяти, а также по объему матрицы FPGA. Варианты А1, А2, А3 модуля 40 могут отличаться по числу, типу и выполнению блоков коммутации, а также по техническим характеристикам схем, а варианты С1, С2, С3 модуля 50 могут отличаться в отношении возможностей ввода, числа и типа элементов выводимых данных, а также потребляемой мощности.

Для достижения оптимальной гибкости устройств 1 или 100 управления модульной конструкции соответствующее программное обеспечение также составляют по иерархическому многоуровневому принципу или принципу агрегатирования, чтобы за счет многоуровневой модели программного обеспечения способствовать модульной замене аппаратных компонентов. Многоуровневая модель может включать в себя, в частности, базовую библиотеку (Base-LIB) программных функций, в которой содержатся все драйверы для управления, срабатывания и работы отдельных аппаратных компонентов и функциональных компонентов матрицы FPGA. В ориентированной на пользователя библиотеке программных функций (API-LIB) связывают или инициализируют только нужные для реализации управляющих задач драйверы в соответственно нужном числе, следовательно, при необходимости, многократно, так что для решения задачи управления в распоряжении имеются все драйверы. Связь происходит через подходящий интерфейс, с тем чтобы можно было обратиться к имеющимся программным функциям в API-LIB. Загрузка соответствующих драйверов из различных библиотек во флэш-память центрального блока происходит в среде поддержки разработки, причем там для выполнения различных задач управления устройствами управления модульной конструкции в вышестоящей библиотеке (VHDL-библиотека) могут быть объединены и могут храниться все функциональные компоненты для возможных конструкций матрицы FPGA. Соответствующие, согласованные с задачами управления конструкции матрицы FPGA записывают тогда при программировании и инициализации устройств управления во флэш-память, причем, при необходимости, могут храниться также несколько конструкций матрицы FPGA для выполнения различных задач управления. Какие задачи управления тогда должны быть выполнены устройством управления, можно определить с помощью командного файла или за счет внутреннего или, как опция, внешнего кодирования в устройстве управления, например с помощью кодирующего штепселя, подключаемого к одному из разъемов блока сопряжения.

Модульность устройств управления, согласно изобретению, следует из принципа агрегатирования соответствующих модулей, которые произвольно могут объединяться и связываться между собой. Гибкость в отношении функциональных возможностей и программных функций блока сопряжения следует из применяемых матриц FPGA, а также многоуровневой модели программного обеспечения, причем и отдельная концепция обладает собственной изобретательской идеей.