PL202249B1 - Sterownik, zwłaszcza do urządzeń górniczych - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sterownika, zwłaszcza do urządzeń górniczych, znajdującego zastosowanie w szczególności w kompleksach urabiających w górnictwie podziemnym węgla kamiennego. W sterowniku (1) jednostka centralna oraz zespół przyłączowy wykonane są w postaci modułów (10, 20), przy czym do jednostki centralnej i zespołu przyłączowego przewidziane są moduły o różnych możliwościach zdolnościowych i/lub funkcjonalnościowych. Moduły te można zgodnie z zasadą blokową dowolnie ze sobą zestawiać w różnych kombinacjach z osprzętem sterownika lub ze sobą sprzęgać. Jednostka centralna zawiera mikroprocesor (11), a także pamięć (12) typu RAM, pamięć (13) typu Flash oraz układ (14) FPGA. Jednocześnie moduł (20) zespołu przyłączowego wyposażony jest w obwody (24) z przyłączami (21, 22, 23) dostępnymi na tylnej stronie (4) obudowy (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sterownik, zwłaszcza do urządzeń górniczych, znajdujący zastosowanie przy wykonywaniu zadań w zakresie sterowania w szczególności obudowami zmechanizowanymi współpracującymi z maszynami urabiającymi oraz urządzeniami odstawy urobku.

W podziemnych zakładach górniczych celowym jest wykorzystywanie do realizacji sterowania sterowników jak najbardziej uniwersalnych i prostych pod względem budowy, co wynika z dążenia do obniżenia kosztów prac rozwojowych, bezpośrednich, dopuszczeniowych, a także gospodarki częściami zamiennymi. Głównym obszarem zastosowań odpowiednich sterowań jest obudowa zmechanizowana krocząca z podzespołami elektrohydraulicznymi, współpracująca z maszynami urabiającymi o postaci kombajnu bądź struga wę glowego i urządzeniami odstawy urobku, jako że występuje tu konieczność przełączania dużej ilości członów wykonawczych bądź czujników. W określonym kompleksie urabiającym wykorzystuje się szereg identycznie zbudowanych sterowników, pracujących obok siebie w sekcjach obudowy. Dla innego kompleksu, pracującego w odmiennych warunkach górniczo-technicznych wymagania stawiane sterownikom mogą być inne, co wynika z konieczności wykorzystania innych czujników i/lub członów wykonawczych, a przez to również zastosowania zmodyfikowanych programów sterowania. Jednocześnie oprogramowanie sterowników winno posiadać możliwość dopasowania do różnego osprzętu i/lub różnych zadań w zakresie sterowania.

Celem wynalazku jest opracowanie budowy takiego sterownika, zwłaszcza do urządzeń górniczych, który spełni powyższe oczekiwania.

Istota wynalazku polega na tym, że jednostka centralna oraz zespół przyłączowy wykonane są w postaci modułów, przy czym do jednostki centralnej i zespołu przyłączowego przewidziane są moduły wyposażone w różne możliwości zdolnościowe i/lub funkcjonalnościowe, które zgodnie z zasadą wymienności zespołów konstrukcyjnych można z osprzętem sterownika korzystnie dowolnie konfigurować w żądanej kombinacji, lub łączyć ze sobą.

W korzystnym zestawieniu sterownik zgodny z wynalazkiem obejmuje kolejny moduł zespoł u łączowego, wyposażony w elementy wejściowe, służące do ręcznego wprowadzania komend sterowniczych i/lub wyposażony w sygnalizatory służące do wizualizacji danych, stanów operacyjnych lub funkcji, przy czym moduły zespołów łączowych można w korzystny sposób ze sobą kombinować i przyłączać z moduł ami jednostki centralnej oraz zespołem przyłączowym, tak aby i w tym przypadku można było wykorzystać system modularny, powodujący obniżenie kosztów wytwarzania odnośnych modułów. Moduły tworzące zespół łączowy mogą się różnić co do ilości i rodzaju możliwości wprowadzania danych, a więc łączników, przycisków itp., ilością i rodzajem elementów wyjściowych takich, jak LED, wyświetlacze, oraz poborem mocy.

Szczególnie korzystnym jest, gdy moduł zespołu łączowego i/lub moduł zespołu przyłączowego wyposażony jest w element informacyjny, na którym zintegrowane elementy sprzętowe lub własności sprzętowe modułu są przechowywane z możliwością ich automatycznego odczytywania przy pomocy jednostki centralnej. Dzięki temu przy uruchamianiu sterownika wszystkie urządzenia udostępnione w sterowniku są automatycznie rozpoznawane przez jednostkę centralną .

Rozwiązanie tego zadania korzystnie może polegać na tym, że przynajmniej jeden moduł pamięci w jednostce centralnej posiada korzystnie swobodnie programowalny układ FPGA (Filtr Programmable Gate Avray).

Przy odpowiednio dopasowanym ukształtowaniu zespołu przyłączowego celowym jest przy tym, gdy przy pomocy układu FPGA dokonywana jest konfiguracja funkcjonalności przyłączy lub obwodów w module zespołu przyłączowego, co daje programową możliwość dopasowania do różnych funkcjonalności.

Szczególnie pożądanym jest, gdy układowi FPGA zostanie przyporządkowany przynajmniej jeden moduł pamięci typu Flash, dzięki czemu powstaje moduł pamięci trwałej z możliwością ponownego zapisu, w którym kody programowe służące do tworzenia różnych funkcjonalności bądź tak zwanych designów są zachowane w układzie FPGA i w razie potrzeby mogą być wywołane.

Korzystnym jest przy tym, gdy oprogramowanie do załadowania do pamięci zbudowane jest w sposób hierarchiczny, według zasady modułowoś ci i warstwowości z poszczególnych, korzystnie przechowywanych w różnych bibliotekach programowych, sterowników zwanych driverami. Integrowanie modularnej budowy jednostki centralnej zespołu przyłączowego i/lub zespołu łączeniowego wraz z ujednoliceniem układów oprogramowania zapisanych w przyporządkowanych bibliotekach

PL 202 249 B1 środowiska programisty umożliwia to, że wymiana modułów może być realizowana niezależnie od użytkownika, przy równoczesnym zachowaniu funkcjonalności sterownika.

Szczególnie korzystnym jest również, gdy w jednej bibliotece przechowywane są sterowniki bazowe do zasterowywania, komunikowania lub uruchamiania elementów sprzętowych bądź elementów funkcjonalnych układu FPGA, a w innej bibliotece przechowywane są sterowniki zwane driverami dla konkretnych zastosowań.

Dla możliwości zastosowania w podziemiach kopalń istotnym jest również, aby przynajmniej moduły zespołu przyłączowego miały autonomicznie bezpieczną budowę.

Zasadniczą zaletą sterownika według wynalazku jest to, że dzięki modułowemu wykonaniu całych zespołów sterowników, a mianowicie z jednej strony modułu jednostki centralnej, a z drugiej strony modułu zespołu przyłączowego, można przy pomocy ograniczonej liczby jednostek centralnych lub zespołów przyłączowych o różnej, nawet małoseryjnej konstrukcji, tworzyć takie sterowniki, które w sposób optymalny dostosowane są do zadań sterowania. Sterowniki te pod względem poboru mocy lub cech funkcjonalności są możliwe do wzajemnego dopasowania, a przy tym są mniej kosztowne. Moduły jednostki mogą się różnić, zwłaszcza co do swych możliwości zdolnościowych, poboru mocy i funkcjonalnoś ci. W jednostce centralnej mogą być wykorzystywane procesory oraz ich ś rodowiska, które różnią się pod względem rodzaju procesora, a tym samym mocy przeliczeniowej, poboru prądu, pasma magistrali danych, a także pod względem zakresu i rodzaju modułów pamięci trwałej lub nietrwałej. Moduły zespołu przyłączowego mogą się w szczególności różnić ilością, rodzajem oraz wykonaniem przyłączy wtykowych, parametrami łączy, bądź podobnymi elementami.

Możliwość łączenia i budowania kombinacji poszczególnych modułów między sobą może być przy tym zapewniona dzięki mechanicznie oraz elektrycznie znormalizowanym interfejsom, bądź łączom między modułami, przy czym zrozumiałym jest, że w korzystnym ukształtowaniu wszystkie moduły mają budowę umożliwiającą ich stosowanie każdorazowo w jednolitej obudowie z jednolitymi elementami montażowymi.

Wynalazek został bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia schematycznie budowę sterownika według wynalazku, fig. 2 - schematycznie budowę sterownika w możliwym, alternatywnym wykonaniu, a fig. 3 - schemat możliwoś ci modułowego zestawienia sterownika według wykonania alternatywnego.

Programowalny, elektroniczny sterownik 1 przeznaczony jest do wykonywania wszechstronnych, różnych zadań sterowania urządzeniami w podziemnych wyrobiskach górniczych. Zadania te mogą dotyczyć sterowania obudowami zmechanizowanymi, napędami przenośników, maszynami urabiającymi, kolejkami podwieszanymi, bądź też pojazdami wyposażonymi we własny napęd. Korzystnym zastosowaniem jest obudowa zmechanizowana krocząca, składająca się z sekcji obudowy rozmieszczonych odpowiednio wzdłuż frontu ściany, które są zasterowywane indywidualnie przy wykorzystaniu magistrali. Sterowniki te wówczas służą do nadzoru czujników zainstalowanych w przyporządkowanej obudowie zmechanizowanej oraz elementów wykonawczych, takich, jak dla przykładu zawory elektrohydrauliczne uruchamiane dla rozpierania bądź rabowania stojaków hydraulicznych, albo do przekładki sekcji obudowy i przenośnika ścianowego. Elektrohydrauliczne sterowanie obudową zmechanizowaną jest powszechnie znane i nie wymaga tu szerszego opisu.

Sterownik 1 (fig. 1) posiada budowę modułową z modułem tworzącym jednostkę centralną 10 oraz modułem tworzącym zespół przyłączowy 20. Obydwa moduły 10, 20 są sprzężone ze sobą za pomocą nie opisanych dalej znormalizowanych połączeń mechanicznych i elektrycznych stanowiących złącze 2, przy czym obydwa te moduły 10, 20 zabudowane są w obudowie 3 spełniającej wymogi bezpieczeństwa dla podziemnych wyrobisk górniczych. Moduł 10 tworzący jednostkę centralną zawiera jako jeden z elementów mikroprocesor 11 wraz ze środowiskiem napędu jego procesora. Mikroprocesorowi 11 przyporządkowano w module 10 dla jednostki centralnej jedną pamięć 12 typu RAM, jedną pamięć 13 typu Flash oraz jeden układ scalony programowalny 14 FPGA, które razem z obwodami drukowanymi i/lub okablowaniem tworzą osprzęt modułu 10.

Moduł 20 zespołu przyłączowego obejmuje przedstawione schematycznie analogowe i cyfrowe obwody wyjścia i wejścia (obwody J/O) oraz umieszczone po jego tylnej stronie 4 obudowy 3 kilka przyłączy 21, 22, 23 z ewentualnie różnie ukształtowanymi, dalej nie opisywanymi przyłączami wtykowymi, dzięki czemu przy pomocy sterownika 1 mogą być wywoływane sygnały z czujników, przykładowo przyłączanych do przyłącza 21, bądź przekazywane sygnały sterujące do członów wykonawczych przyłączonych przykładowo do przyłącza 22. Listwy przyłączowe 21, 22, 23, zaprojektowane w sposób autonomiczny i pewny w systemie zabezpieczonym przed iskrzeniem i zapłonem posiadają

PL 202 249 B1 możliwość wielofunkcyjnego wykorzystania, jako że funkcjonalność tych przyłączy 21, 22, 23 może być dowolnie zmieniana, zestawiana lub uzupełniana przy pomocy obwodu 24 oraz układu 14 FPGA przyporządkowanego temu obwodowi 24. W tym celu odpowiednie sterowniki programowe (drivery) dla jednego układu 14 FPGA zostały zainstalowane wraz z potrzebnymi elementami funkcjonalnymi, niezbędnymi dla każdorazowych zadań w zakresie sterowania dla sterownika 1, oraz wraz z przyporządkowanymi sterownikami programowymi (driverami) w pamięci 13 typu Flash służy między innymi do zachowania wzorca (designu) dla układu 14 FPGA na sterowniku (driverze) dla procesora pamięci 12 RAM, oraz obwodów 21 wraz z przyporządkowanymi kodami programowymi do realizacji różnych zadań w zakresie sterowania.

W alternatywnym wykonaniu sterownik 100 przeznaczony do wykonywania zadań w podziemiach zakładów wydobywczych (fig. 2) złożony jest z trzech modułów 30, 40, 50. Moduł 30 tworzy jednostkę centralną i posiada, jak w poprzednio opisywanym wykonaniu, mikroprocesor 31 ze środowiskiem, pamięć 32 RAM, pamięć 33 Flash, oraz układ 34 FPGA. Analogowa i cyfrowa wymiana danych odwzorowana jest na rysunku przy pomocy przeciągniętych linii ze strzałkami. Moduł 40 dla zespołu przyłączowego obejmuje z kolei analogowe i cyfrowe obwody 41, których funkcjonowanie może być ustalone przy pomocy wzorca (designu) układu 34 FPGA w sposób wielofunkcyjny, natomiast na stronie tylnej 101 obudowy 102 znajduje się szereg przyłączy lub zespołów przyłączeniowych 42, 43, 44 z odpowiednimi gniazdami wtykowymi. Moduł 40 zespołu przyłączowego obejmuje ponadto element informacyjny 45 wykonany w postaci modułu sygnowanego, w którym przechowywane są automatycznie odczytywane dane, stanowiące elementy sprzętowe w analogowych i cyfrowych obwodach 41 oraz przyłączach 42, 43, 44. Element informacyjny 45 jest odczytywalny przy pomocy mikroprocesora 31 tak, jak to zaznaczono za pomocą strzałki 35 z linią kreskową, aby mikroprocesor 31, a przez to również moduł 30 jednostki centralnej po włączeniu sterownika 100 wiedział, jakie elementy sprzętowe są obecne w module 40 dla zespołu przyłączowego.

Sterownik 100 obejmuje trzeci moduł 50 dla modułu łączenia, obejmujący wyświetlacze 51 lub urządzenia wizualizacyjne i/lub klawiatury dla wprowadzania komend sterujących. Wizualizatory oraz klawiatury 51 są dostępne od strony czołowej 103 sterownika 100, bądź od tej strony można mieć do nich wgląd. W moduł 50 grupy łączeniowej wbudowany jest element informacyjny 52 w postaci modułu sygnowanego, w którym w sposób możliwy do odczytania zapisano, jakie klawiatury i urządzenia wizualizacji 51 obecne są sprzętowo w module 50. Również element informacyjny 52 jest w odpowiedni sposób możliwy do odczytania automatycznego przy pomocy mikroprocesora 31 modułu 30 jednostki centralnej, jak to zaznaczono liniami przerywanymi ze strzałką 36. Zarówno moduł 40 jak i moduł 50 mają możliwość sprzęgania z modułem 30 jednostki centralnej poprzez łącza modułowe 104, 105 za pośrednictwem mechanicznie i elektrycznie znormalizowanych interfejsów, przy czym w stanie sprzężonym i po uruchomieniu sterownika 100, sterownik 100 automatycznie wie o wszystkich istniejących elementach sprzętowych poprzez elementy informacyjne 45, 52.

Budowa sterownika 100 z trzema modułami 30, 40, 50 sprzężonymi ze sobą standardowym łączem, pozwala na szczególną korzyść polegającą na tym, że dla różnych zadań sterowania, wymaganych przez technikę górniczą, można utworzyć sprzęt zasadniczo dopasowany do zadań sterowania, a więc sprzęt jest optymalnie dobrany pod względem poboru energii, poboru mocy, mocy komputera itp.

Szereg różnych sterowników 100A, 100B, 100C, 100D, 100E w budowie modułowej (fig. 3) ma możliwość złożenia każdorazowo w trzech różnych wariantach modułów 30, 40, 50. Różnorodne warianty wykonania modułów 30 oznaczane są przy pomocy oznaczeń B1, B2, B3, różnorodne warianty wykonania modułów 40 dla zespołu przyłączowego oznaczone są A1, A2, A3, oraz różnorodne warianty wykonania modułów 50 zespołu łączowego oznaczone są oznaczeniami C1, C2, C3. Tak, jak wyżej przedstawiono, sprzęt może się różnić w wariantach B1, B2, B3 dla modułu 30 w zakresie typu procesora, a tym samym pod kątem poboru mocy, mocy przerobowej, mocy obliczeniowej, wydajności magistrali danych oraz pod kątem zakresu i typów modułów pamięci RAM, Flash oraz co do zakresów elementów FPGA. Warianty A1, A2, A3 dla modułu 40 mogą się różnić pod kątem liczby, rodzaju i wykonania zespołów wtykowych, oraz parametrami zdolnościowymi obwodów, natomiast warianty C1, C2, C3 modułu 50 mogą się różnić pod kątem możliwości wprowadzania danych, liczby i rodzaju elementów wyjściowych, oraz poboru mocy.

Dla utrzymania odpowiedniej zmienności przez modularnie zabudowane sterowniki 1, 100 zgodnie z hierarchiczną zasadą modularności lub warstwowości zestawiane jest przynależne oprogramowanie, mające na celu wsparcie modułowej wymiany elementów sprzętowych przy pomocy warstwowego oprogramowania. Model warstwowy może w szczególności obejmować bibliotekę

PL 202 249 B1 bazową (base-LIB) dla funkcji programowych, w której to bibliotece wszystkie sterowniki (drivery) przeznaczone są do zasterowywania, komunikowania i napędzania poszczególnych elementów sprzętowych oraz elementów funkcjonalnych układu FPGA. W bibliotece określonej dla danego zastosowania dla funkcji programowych (API-LIB) wkomponowuje się, bądź też inicjuje tylko drivery potrzebne do realizacji jednego zadania sterowniczego w każdorazowo potrzebnej ich liczbie, a tym samym również w sposób wielokrotny, w wyniku czego wszystkie drivery stoją do dyspozycji dla realizacji zadań typowych w warunkach wybranego sterowania.

Komunikacja następuje za pośrednictwem odpowiedniego łącza (interfejsu) umożliwiającego dostęp do istniejących funkcji programowych w bibliotece API-LIB. Załadowanie odpowiednich sterowników (driverów) z różnych bibliotek do pamięci typu Flash jednostki centralnej następuje w środowisku programisty, przy czym dla umożliwienia przeprowadzenia różnych zadań w zakresie sterowania modularnie zbudowanymi sterownikami, w nadrzędnej bibliotece (VHDL) wszystkie elementy funkcyjne dla możliwych wzorców (designów) układu FPGA są zestawione i mogą być przechowywane. Odpowiednie wzorce (designy) układu FPGA, dopasowane do zadań sterowniczych, wpisywane są następnie podczas programowania sterowników do pamięci Flash, przy czym w razie konieczności można też przechowywać kilka wzorców (designów) FPGA dla różnych zadań w zakresie sterowania. Wykaz zadań sterowania, jakie mają być przeprowadzone przy pomocy sterownika, można określić za pomocą kartoteki, lub przy pomocy wewnętrznego, bądź optymalnie zewnętrznego kodowania na sterowniku, jak przykładowo przy pomocy wtyku kodującego, przyłączanego do jednego z przyłączy zespołu przyłączowego.

Modularność sterowników, zgodnie z niniejszym wynalazkiem, wynika z konstrukcji blokowej poszczególnych modułów, które mogą być pomiędzy sobą dowolnie zestawiane i sprzęgane. Elastyczność dotycząca funkcjonalności i funkcji programowych zespołu przyłączowego powstaje w związku ze stosowaniem układów FPGA, oraz modeli warstwowych oprogramowania, przy czym nawet pojedynczemu zestawieniu przyporządkowana jest niezależna idea wynalazcza.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sterownik, zwłaszcza do urządzeń górniczych z modułowo zbudowanym sprzętem obejmującym jedną jednostkę centralną z mikroprocesorem i przyporządkowanymi programowalnymi modułami pamięci do przechowywania i przetwarzania oprogramowania, oraz wyposażony w zespół przyłączowy służący do komunikacji z innymi sterownikami i/lub przeznaczony do zasterowywania członami wykonawczymi, czujnikami bądź innymi elementami, znamienny tym, że jednostka centralna, oraz zespół przyłączowy wykonane są w postaci modułowej (10, 20, 30, 40), przy czym do jednostki centralnej zespołu przyłączowego przewidziane są moduły (A1, A2, A3; B1, B2, B3) w zakresie różnych możliwości zdolnościowych i lub funkcjonalnościowych, które można zgodnie z zasadą blokową korzystnie dowolnie ze sobą zestawiać w różnych kombinacjach z osprzętem sterownika lub ze sobą sprzęgać.
2. 2. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma kolejny moduł (50) dla zespołu łączowego, wyposażony w elementy wejściowe służące do ręcznego wprowadzania komend sterowniczych i/lub wyposażony w elementy wyjścia służące do wizualizacji danych, stanów roboczych lub funkcji, przy czym moduły (C1, C2, C3) można korzystnie i rozłącznie łączyć i sprzęgać z różnymi elementami wejścia lub elementami wizualizacji modułów (A1, A2, A3; B1, B2, B3) dla jednostki centralnej i zespołu przyłączowego.
3. 3. Sterownik według zastrz. 2, znamienny tym, że moduł (50) zespołu łączowego i/lub moduł (40) zespołu przyłączeniowego wyposażony jest w element informacyjny (52, 45), na którym przechowywane są zintegrowane elementy sprzętowe przynależnego modułu (50, 40) dla automatycznego odczytywania przy pomocy modułu (30) jednostki centralnej.
4. 4. Sterownik według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że przynajmniej jeden moduł (10, 30) jednostki centralnej posiada korzystnie swobodnie programowalny układ (14, 34) FPGA.
5. 5. Sterownik według zastrz. 4, znamienny tym, że przy pomocy układu (14, 34) FPGA dokonuje się konfiguracji funkcjonalności przyłączy (21, 22, 23; 43, 44, 45) lub obwodów (24, 41) w module (40) zespołu przyłączowego.
6. 6. Sterownik według zastrz. 4, znamienny tym, że układowi (14, 34) FPGA przyporządkowany jest przynajmniej jeden moduł pamięci (13, 33) typu Flash.

   PL 202 249 B1
7. 7. Sterownik według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 5, albo 6, znamienny tym, że oprogramowanie możliwe do załadowania do pamięci (13, 33) zbudowane jest hierarchicznie, według zasady warstwowej z poszczególnych sterowników (driverów), korzystnie przechowywanych w różnych bibliotekach programowych.
8. 8. Sterownik według zastrz. 7, znamienny tym, że w jednej bibliotece przechowywane są sterowniki bazowe do zasterowywania, komunikowania lub uruchamiania elementów sprzętowych lub elementów funkcjonalnych układu (14, 34), a w innej bibliotece przechowywane są sterowniki (drivery) dla konkretnych zastosowań.
9. 9. Sterownik według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej moduły (20, 40) dla zespołu przyłączowego mają autonomicznie bezpieczną budowę.