專利名稱：用于地下采礦的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)地下采礦控制作業(yè)的控制裝置，具有模塊化構(gòu)造的硬件，其中包括帶有微處理器的中央單元，還具有相應(yīng)的用于存儲(chǔ)和處理軟件的可編程的存儲(chǔ)構(gòu)件、以及用于使控制裝置與其他控制裝置和/或所要控制的執(zhí)行部件、傳感器或者類似部件進(jìn)行通信的連接組件。
背景技術(shù)：
在地下采礦中，一直希望盡可能使用通用的、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的控制裝置在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)控制，以節(jié)省用于硬件開發(fā)、制造、準(zhǔn)入、備件庫存的成本。相應(yīng)控制的主要應(yīng)用領(lǐng)域是帶有刨煤機(jī)或者滾筒采煤機(jī)的煤炭挖掘系統(tǒng)的地下電動(dòng)液壓掘進(jìn)支撐(Schildausbau)，這是因?yàn)樵谙鄳?yīng)的煤炭挖掘系統(tǒng)中必須連接非常多的執(zhí)行部件或傳感器，而且在特定的地下采礦工作面中，可能在相鄰設(shè)置的電動(dòng)液壓支撐掘進(jìn)板(Ausbauschilden)中應(yīng)用了多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的控制裝置。但是，在其他采礦工作面中，對(duì)于控制裝置的需求就改變了，這是因?yàn)榭赡苄枰僮髌渌膱?zhí)行部件或者傳感器，和/或必須控制執(zhí)行其他的控制程序。同時(shí)，應(yīng)用于控制裝置中的軟件必須要與不同的硬件和/或不同的控制功能相匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種用于實(shí)現(xiàn)地下采礦控制作業(yè)的控制裝置，該裝置滿足了上述所希望實(shí)現(xiàn)的要求。
本發(fā)明的目的將通過根據(jù)本發(fā)明的硬件以如下方式實(shí)現(xiàn)，即中央單元和連接組件作為模塊來實(shí)現(xiàn)，其中可使中央單元模塊和連接組件模塊具有不同的效率和/或功能，這二者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理，最好可任意地相互組合或相互耦合到控制裝置的硬件。通過以模塊化方式實(shí)現(xiàn)控制裝置的整個(gè)組件，即一方面作為“中央單元”的組件、另一方面作為“連接組件”的組件，可以用數(shù)量有限、結(jié)構(gòu)不同的中央單元或連接組件在仍需要保證的單個(gè)組件的小批量生產(chǎn)中提供控制裝置，這樣可以近似于最佳地與控制作業(yè)相匹配，而不必增加其功率消耗或者功能，因而也無需增加成本。用作中央單元的模塊和用作連接組件的模塊尤其可以根據(jù)可能的功率、耗用電流、和功能性相區(qū)別。在中央單元中，可以實(shí)現(xiàn)處理器和用于處理器的環(huán)境，這些處理器及其環(huán)境在處理器的類型、以及在計(jì)算能力、耗用電流，數(shù)據(jù)總線寬度、以及易失和非易失性存儲(chǔ)構(gòu)件的容量和類型等方面都有所不同。開關(guān)組件的模塊尤其在插接件的數(shù)量、類型以及實(shí)施方式上有所不同，還在接口的輸出數(shù)據(jù)以及其他諸如此類的方面有所不同。
在特別的優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的控制裝置還包括另外一個(gè)用作“開關(guān)組件”的模塊，該模塊具有用于進(jìn)行手動(dòng)輸入控制指令的輸入裝置和/或用于顯示數(shù)據(jù)、工作狀況或者功能的顯示裝置，其中，具有不同輸入裝置或者顯示裝置的開關(guān)部件模塊最好與用于中央單元和用于連接組件的模塊可以任意結(jié)合并連接，同時(shí)這也是為了在制造各個(gè)模塊時(shí)，使節(jié)約成本的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理能夠移植。組成開關(guān)部件的模塊可以在輸入元件(開關(guān)、按鈕等)的數(shù)量和類型，以及輸出元件(LED、顯示器)的數(shù)量和類型方面，以及在功率消耗方面有所不同。
通過模塊之間的機(jī)械和電子的標(biāo)準(zhǔn)化接口或者連接位置，可以保證各個(gè)模塊之間的連接和結(jié)合，其中可以看出，在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，所有模塊之間都是以這種方式構(gòu)造的，即它們能夠分別用整體化的安裝裝置裝入到整體化的殼體中。特別優(yōu)選的是，當(dāng)開關(guān)部件的模塊和/或連接組件的模塊裝有信息單元時(shí)，可以將模塊的集成的硬件單元或硬件的特性等信息存儲(chǔ)到該信息單元上，這樣這些信息就可由中央單元自動(dòng)讀取了。利用每個(gè)信息單元(標(biāo)識(shí)構(gòu)件)和運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)讀取，也就是說在啟動(dòng)控制裝置時(shí)，能夠自動(dòng)地、且與軟件無關(guān)地由中央單元實(shí)現(xiàn)對(duì)所有控制裝置中應(yīng)用的硬件識(shí)別。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)前述的目的，根據(jù)本發(fā)明，中央單元中的至少一個(gè)存儲(chǔ)構(gòu)件由最好可自由編程的FPGA(可編程門陣列)構(gòu)成。在與之相對(duì)應(yīng)的連接組件的結(jié)構(gòu)中，這提供了特別的優(yōu)點(diǎn)，即利用FPGA可以在連接組件中自由配置連接功能，因此，可以利用軟件與不同的功能相匹配。為了通過FPGA使連接組件的功能可以和不同的作業(yè)地點(diǎn)相適應(yīng)，以及為了能夠和不同的接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波器、控制器以及諸如此類的相匹配，尤其具有優(yōu)點(diǎn)的是，F(xiàn)PGA具有至少一個(gè)閃存構(gòu)件，因此與一個(gè)可重寫的、非易失性的存儲(chǔ)構(gòu)件相對(duì)應(yīng)，以這種方式，就可以利用FPGA存儲(chǔ)那些用于產(chǎn)生不同功能或者設(shè)計(jì)的軟件代碼，需要時(shí)可以調(diào)用這些信息。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)前述的目的，根據(jù)本發(fā)明，按照分級(jí)原理和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理，可載入到存儲(chǔ)構(gòu)件中的軟件可以由單個(gè)的、最好由不同的軟件庫中存儲(chǔ)的驅(qū)動(dòng)程序分等級(jí)地共同組成。中央單元模塊結(jié)構(gòu)，連接組件和/或開關(guān)部件的模塊化結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)在相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境中的軟件庫中的軟件代碼的統(tǒng)一使得可以與應(yīng)用無關(guān)地實(shí)現(xiàn)模塊的更換，同時(shí)也可以保持控制裝置的功能。為了應(yīng)用于地下采礦，尤其建議至少連接組件的模塊以自保護(hù)的方式來實(shí)現(xiàn)。


現(xiàn)在根據(jù)實(shí)施例的示意圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖中示出了圖1根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中控制裝置的模塊原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中附圖標(biāo)記1表示地下采礦中用于多方面不同控制作業(yè)的可編程電子控制裝置?？刂谱鳂I(yè)可涉及利用電動(dòng)液壓支撐掘進(jìn)板、輸送裝置、輥裝機(jī)、滑車和斷面掘進(jìn)機(jī)或單軌吊車等進(jìn)行的工作面掘進(jìn)。優(yōu)選的應(yīng)用是利用在工作面長(zhǎng)度上分布設(shè)置的支撐掘進(jìn)板進(jìn)行的地下掘進(jìn)支撐。這些掘進(jìn)板分別通過一根數(shù)據(jù)總線來控制，并監(jiān)控設(shè)置在相應(yīng)的支撐掘進(jìn)板處的傳感器，以及操作執(zhí)行部件，如電動(dòng)液壓閥，使在掘進(jìn)支撐處的升降沖頭(Hubstempel)向內(nèi)或向外移動(dòng)，或者通過回程滾筒(Rückzylinder)向內(nèi)或向外的移動(dòng)來推動(dòng)掘進(jìn)支架在開采方向上移動(dòng)。電動(dòng)液壓掘進(jìn)支撐是已知的，因此無需進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
控制裝置1采用了模塊方式來實(shí)現(xiàn)，其中構(gòu)成控制裝置的中央單元的模塊用附圖標(biāo)記10來表示，構(gòu)成控制裝置1的連接組件的模塊用附圖標(biāo)記20來表示。這兩個(gè)模塊10，20通過沒有進(jìn)一步示出的標(biāo)準(zhǔn)化電連接和機(jī)械連接在模塊接口2處相互耦合，并且這兩個(gè)模塊10，20設(shè)置在一個(gè)為地下采礦而適當(dāng)設(shè)計(jì)的、圖中未詳細(xì)示出的殼體3中。構(gòu)成中央單元的模塊10包括一個(gè)作為中央單元的微處理器11，以及用于操作該微處理器的處理器環(huán)境。中央單元模塊10中的微處理器11還配置了RAM存儲(chǔ)器12，閃存13和FPGA(可編程門陣列)14，它們和電路板和/或電纜一起形成了模塊10的硬件。用作連接組件的模塊20包括圖中示出的模擬和數(shù)字的輸入-輸出電路21(I/O電路)，以及在殼體3的后側(cè)4上形成的多個(gè)連接器22，23，24和可能具有的結(jié)構(gòu)不同的未詳細(xì)示出的插件連接器，以利用控制裝置1可以調(diào)用例如與連接器23相連的傳感器發(fā)出的信號(hào)，將控制信號(hào)輸出到例如與連接器24相連的執(zhí)行部件。優(yōu)選地，點(diǎn)火保護(hù)型的自保連接導(dǎo)線23，24，25可以進(jìn)行多功能的應(yīng)用，這是因?yàn)檫B接器23，24，25的功能通過電路21和與電路21相應(yīng)的FPGA 14可以任意改變、組合或者補(bǔ)充。因此，利用控制裝置1的各種控制作業(yè)所需的功能單元以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，可將為FPGA 14設(shè)計(jì)的軟件驅(qū)動(dòng)程序存儲(chǔ)在閃存13中，這一點(diǎn)將在下面詳細(xì)描述。因而，閃存13可以用于存儲(chǔ)FPGA 14的設(shè)計(jì)、處理器11的驅(qū)動(dòng)程序、RAM存儲(chǔ)器12的驅(qū)動(dòng)程序、和電路21的驅(qū)動(dòng)程序、以及用于實(shí)現(xiàn)不同的控制作業(yè)的相應(yīng)的軟件代碼。
圖2示出了整體上用附圖標(biāo)記100來表示的用于地下采礦控制作業(yè)的可編程電子控制裝置，由三個(gè)模塊30，40，50共同組成。模塊30構(gòu)成了中央單元，包括如圖1所示實(shí)施例中帶有環(huán)境31的微處理器、RAM存儲(chǔ)器32，閃存33、FPGA 34。在圖2中模擬或數(shù)字的數(shù)據(jù)交換用雙向箭頭線來表示。用于連接組件的模塊40包括模擬和數(shù)字電路41，其中電路的功能性通過FPGA 34的設(shè)計(jì)可以多功能地確定，在殼體103的后部104有多個(gè)帶有適當(dāng)?shù)牟遄幕蝾愃撇糠值倪B接器或者連接組件43，44，45。連接組件40還包括作為標(biāo)識(shí)組件的信息單元46，在該信息單元中可以存儲(chǔ)可自動(dòng)讀取的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能確定在模擬和數(shù)字電路41和連接器43，44，45中存在哪些硬件單元。信息單元46可以利用微處理器31讀取，如虛線中的箭頭36所示，這樣微處理器31和中央單元30在控制裝置100啟動(dòng)之后，可以識(shí)別在連接組件40中存在哪些硬件。
控制裝置100包括用于開關(guān)組件的第三個(gè)模塊50，該模塊包括附圖標(biāo)記51示出的相應(yīng)的顯示器或顯示裝置和/或用于輸入控制指令的鍵盤。顯示器和鍵盤可從控制裝置100的前部105觸及或觀察。信息單元52作為標(biāo)識(shí)組件集成到開關(guān)部件模塊50中，在信息單元中存儲(chǔ)有可讀取的信息，即模塊50中具有哪些硬件如鍵盤和顯示裝置的信息。信息單元52也可以以恰當(dāng)?shù)姆绞?，利用中央單?0的微處理器31自動(dòng)讀取，如虛線中的箭頭37所示。模塊40和模塊50均通過機(jī)械方式和電氣方式的標(biāo)準(zhǔn)接口連接到中央單元模塊30的模塊接口，其中在連接狀態(tài)下，在控制裝置100啟動(dòng)之后，根據(jù)信息單元46，52可以自動(dòng)識(shí)別所有硬件單元。
控制裝置100包括三個(gè)模塊30，40，50，且這些模塊通過標(biāo)準(zhǔn)化接口相互連接，這種結(jié)構(gòu)提供了特別的優(yōu)點(diǎn)，即在地下采礦中可以提供能夠用于不同控制作業(yè)的控制裝置?？刂蒲b置的硬件基本上與控制功能最佳地匹配，而耗電量、功率消耗、計(jì)算負(fù)荷等不會(huì)過大或過小。圖3示出了多個(gè)不同的控制裝置100A，100B，100C，100D，100E，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理分別由三個(gè)不同的模塊30，40，50的變型共同組成。在圖3中模塊30的不同實(shí)施變型通過模塊B1，B2，B3來表示，連接組件模塊40的不同實(shí)施變型通過模塊A1，A2，A3來表示，開關(guān)組件模塊50的不同實(shí)施變型通過模塊C1，C2，C3來表示。如上所述，模塊30的變型B1，B2，B3中的硬件可以在處理器類型上有所不同，因此就可以在計(jì)算負(fù)荷、耗用電流、數(shù)據(jù)總線帶寬、RAM和閃存的存儲(chǔ)容量和類型、以及FPGA的容量方面有所不同。模塊40的變型A1，A2，A3在插件組件的數(shù)量、類型、實(shí)施方式方面以及電路的效率數(shù)據(jù)方面有所不同。模塊50的變型C1，C2，C3可以在輸入能力、輸出部件的數(shù)量和類型、以及功率消耗方面有所不同。
為了能夠獲得模塊式構(gòu)造的存儲(chǔ)裝置1或100的最佳變型，相應(yīng)的軟件也分別根據(jù)分等級(jí)的分層原理或者標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理組成，以使通過軟件的分層模塊支持硬件單元的模塊更換。分層模塊尤其可包括用于程序功能的基本程序庫(Base-LIB)，該程序庫包含控制、存儲(chǔ)和操作用于FPGA的各個(gè)硬件單元和功能單元的所有驅(qū)動(dòng)程序。在用于程序功能(API-LIB)的特定應(yīng)用的程序庫中，僅連接或者初始化實(shí)現(xiàn)控制作業(yè)所必需數(shù)目的驅(qū)動(dòng)程序或更多驅(qū)動(dòng)程序，這樣就可以使用實(shí)現(xiàn)特定控制功能的所有驅(qū)動(dòng)程序。通信可通過適當(dāng)?shù)慕涌谶M(jìn)行，這樣就可以訪問在API-LIB中現(xiàn)有的程序功能。將各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序從不同的程序庫裝載到中央單元的閃存中是在開發(fā)環(huán)境中完成的，在那里為了能夠利用模塊式構(gòu)造的控制裝置實(shí)現(xiàn)不同控制功能，所有用于FPGA可能設(shè)計(jì)的功能單元可以匯總、存儲(chǔ)在上層程序庫(VHDL程序庫)中。然后，相應(yīng)地，與控制作業(yè)相協(xié)調(diào)的FPGA設(shè)計(jì)在控制裝置的編程和初始化過程中被寫入閃存，其中也可以存儲(chǔ)多個(gè)用于完成不同控制作業(yè)的FPGA設(shè)計(jì)?？刂蒲b置完成哪些控制作業(yè)，可以借助于批數(shù)據(jù)庫或者通過控制裝置的內(nèi)部編碼或者可選擇的外部編碼，如與連接組件的一個(gè)連接器相連的編碼插件，來確定。
根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的模塊性可從用于各個(gè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)部件原理得出，這些模塊可以相互任意結(jié)合和連接。由于采用了FPGA技術(shù)和軟件的分級(jí)模塊，可以使連接組件的功能性和程序功能具有靈活性，其中每個(gè)概念分別是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)明構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.一種用于實(shí)現(xiàn)地下采礦控制作業(yè)的控制裝置，具有模塊化構(gòu)造的硬件，所述硬件包括帶有微處理器(11；31)的中央單元，相應(yīng)的用于存儲(chǔ)和處理軟件的可編程的存儲(chǔ)構(gòu)件(12，13；32，33)，以及用于使控制裝置(1，100)與其他控制裝置和/或所要控制的執(zhí)行部件、傳感器等進(jìn)行通信的連接組件，其特征在于，中央單元和連接組件作為模塊(10，20；30，40)來實(shí)現(xiàn)，其中用于中央單元和連接組件的模塊(B1，B2，B3；A1，A2，A3)具有不同的效率和/或功能，它們根據(jù)控制裝置硬件的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理，最好可任意地相互結(jié)合和相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，用于開關(guān)組件的第二個(gè)模塊(50)，設(shè)置有用于進(jìn)行手動(dòng)輸入控制命令的輸入裝置和/或用于顯示數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)或功能的顯示裝置，其中帶有不同輸入裝置或顯示裝置的開關(guān)部件模塊(C1，C2，C3)與用于中央單元和用于連接組件的模塊(A1，A2，A3；B1，B2，B3)最好可以任意組合以及連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，所述用于開關(guān)組件的模塊(50)和/或用于連接組件的模塊(40)設(shè)置有信息單元(52；46)，在所述信息單元中可以存儲(chǔ)相應(yīng)模塊(50；40)的硬件單元信息，所述硬件單元信息可通過中央單元模塊(30)自動(dòng)讀取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分或者權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其特征在于，所述中央單元(10，30)中至少一個(gè)存儲(chǔ)構(gòu)件由最好可自由編程的FPGA(14；34)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制裝置，其特征在于，利用FPGA(14；34)，連接器(23，24，25；43，44，45)或者電路(21；41)的功能性可以在所述連接組件的模塊(40)中進(jìn)行配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制裝置，其特征在于，F(xiàn)PGA(14；34)分配有閃存構(gòu)件(13；33)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分或者權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其特征在于，根據(jù)分級(jí)原理或標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件原理，可裝載到存儲(chǔ)構(gòu)件(13；33)中的軟件分等級(jí)地由各個(gè)最好是不同的軟件程序庫中存儲(chǔ)的驅(qū)動(dòng)程序共同組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制裝置，其特征在于，用于控制、存儲(chǔ)或操作FPGA(14；34)的硬件單元或者功能單元的基本驅(qū)動(dòng)程序存儲(chǔ)在一個(gè)程序庫中，特定應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)程序存儲(chǔ)在另一個(gè)程序庫中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其特征在于，至少用于連接組件的模塊(20，40)以自保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)現(xiàn)地下采礦控制作業(yè)的控制裝置，它具有模塊化構(gòu)造的硬件，其中包括帶有微處理器的中央單元，相應(yīng)的用于存儲(chǔ)和處理軟件的可編程的存儲(chǔ)構(gòu)件，以及用于使本發(fā)明的控制裝置與其他控制裝置和/或所要控制的執(zhí)行部件、傳感器等進(jìn)行通信的連接組件。其中中央單元的連接組件作為模塊來實(shí)現(xiàn)，中央單元模塊和連接組件模塊具有不同的效率和/或功能，它們可任意相互結(jié)合和連接。本發(fā)明的控制裝置可靈活用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，并節(jié)省了成本。
文檔編號(hào)E21D23/12GK1550941SQ20041004214
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者費(fèi)迪南德·尤勒道夫, 威爾夫拉德·維格爾, 約翰尼斯·維塞爾曼, 詹斯·迪特斯切特, 尤根·蒂斯肖普, 拉德 維格爾, 斯 維塞爾曼, 蒂斯肖普, 費(fèi)迪南德 尤勒道夫, 迪特斯切特 申請(qǐng)人:Dbt自動(dòng)化有限公司