基于MC9S12XDP512單片機的液壓支架集中控制系統研究與設計

張潤冬 許春雨 田慕琴 宋單陽 宋 鑫 李新勝 徐建兵 宋建成

(1.太原理工大學，山西省太原市，030024；2.煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西省太原市，030024；3.礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西省太原市，030024；4.晉煤集團技術研究院，山西省晉城市，048006)

★ 煤炭科技·機電與信息化★

基于MC9S12XDP512單片機的液壓支架集中控制系統研究與設計

張潤冬1，2，3許春雨1，2，3田慕琴1，2，3宋單陽1，2，3宋 鑫1，2，3李新勝1，2，3徐建兵4宋建成1，2，3

(1.太原理工大學，山西省太原市，030024；2.煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西省太原市，030024；3.礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西省太原市，030024；4.晉煤集團技術研究院，山西省晉城市，048006)

為了滿足綜采工作面自動化采煤技術發展所提出的新的技術要求，開發了一套基于高性能MC9S12XDP512單片機的液壓支架集中控制系統，通過分析井下環境要求和采煤自動化技術指標，設計了系統的硬件結構和控制軟件，建立了液壓支架控制模型，以留三角割煤為例詳細介紹了支架集中控制的實現過程。通過試驗測試表明，該系統通信具有穩定性和實時性，集中控制策略具有可靠性和穩定性。

綜采工作面 MC9S12XDP512單片機 液壓支架 集中控制

自動化采煤工作面的發展是采煤現代化和智能化的標志，也是煤炭工業發展“十三五”規劃的重要任務。當前，隨著物聯網技術和大數據技術的引入，煤礦無人值守自動化采煤技術已經越來越先進，對液壓支架集中控制的技術要求也越來越高。一方面，電液控制系統中對現場信息處理的快速性和可靠性需要提高，另一方面系統對液壓支架控制工藝的穩定性和多樣性也需要進行改進。

液壓支架的集中控制技術是采煤自動化的關鍵技術，目前最先進的支架控制技術為電液控制技術。該技術最先由國外開發并發展迅速，以德國、英國和美國為代表的3個國家在電液控制技術的發展上已經較為成熟，其產品也在全球各國銷售，并處于壟斷地位。國內從70年代開始從國外引進液壓支架等綜采設備進行綜采試驗，研發起步較晚，2000年以前，除神東等礦區引進的液壓支架外，我國液壓支架全部采用手動控制。進入21世紀，雖然開發出了不少可靠性較高的支架控制技術，但是仍然存在信息處理速度較慢、支架控制策略單一、通訊固定以及環境適應性較差等缺點。

針對現有電液控制系統所存在的問題，本文開發了一套基于MC9S12XDP512單片機(16位)的液壓支架集中控制系統，該系統在信息處理速度上較傳統8位處理器快了一倍，支持RS485和CAN兩種通信方式，可以通過外部選擇和軟件配置進行切換。同時，系統設有多種支架集中控制模式，可適配多種采煤機割煤工藝。

1 液壓支架集中控制系統硬件設計

煤礦井下環境惡劣，硬件設計除了滿足高速處理、功能優越、芯片容量充足、通信穩定等性能指標外，還應具備防水、防潮、防灰等能力。

1.1 系統整體結構設計

液壓支架集中控制系統由防爆計算機、集中控制器、支架控制器、電磁驅動閥以及多種傳感器組成，系統采用RS485總線進行通信，其網絡通信圖如圖1所示。

由圖1可知，支架控制器是直接安放于液壓支架上的監控單元，其上接有電磁驅動閥組和多種傳感器，分別實現對液壓支架的動作輸出控制和狀態信息檢測。集中控制器是系統的重要組成單元，一方面集中控制器可直接對支架進行點動、成組、自動制導等遠程控制；另一方面集中控制器通過對支架控制器進行巡檢獲取液壓支架的狀態信息，并傳給上位機實現遠程監控。防爆計算機位于整個系統的最高層，它的主要作用是將集中控制器接收到的工況信息進行分析、處理、存儲和顯示，實現遠程監控。

圖1 液壓支架集中控制系統網絡通信圖

1.2 集中控制器硬件設計

集中控制器硬件由MC9S12XDP512單片機、鍵盤電路、LCD電路、RS485通訊模塊、CAN通訊模塊、外部存儲模塊組成，集中控制器硬件結構如圖2所示。

圖2 集中控制器硬件結構

控制器處理芯片采用飛思卡爾MC9S12XDP512單片機(16位)，該單片機擁有高達512 KB的Flash存儲空間，具有6個異步串行通信接口模塊SCI，5個和CAN 2.0協議兼容的CAN模塊(MSCAN)等通訊接口資源。在性能上它還引入了協處理器XGATE模塊，能以兩倍系統時鐘的速度運行，可對RAM、Flash和I/O口之間進行高速的數據傳輸。除此之外，設計PCB電路板所選擇的硬件芯片和電阻、電感等元件均可在-40℃～60℃環境下工作，電路板的板面也涂有室溫固化透明樹脂，可起到防潮、防粘、防塵等效果。

1.3 通信系統硬件設計

為了增強通信的兼容性，系統設置了RS485和CAN兩類通信接口，基于兩種總線的通信系統可通過集中控制器進行軟、硬件配置實現切換。每種通信設置兩路，分別與上位機和支架控制器進行通信。通信均采用雙絞線電纜，并在接口處設有可控制總線中斷與閉合的撥碼開關，用來實現通信類型的外部切換。集中控制器通信接口設計如圖3所示。

圖3 集中控制器通信接口設計

RS485通信電路采用TD501D485H-E芯片，在芯片通信輸出端分別接有上拉電阻R1、下拉電阻R3、和匹配電阻R2。從而使得總線之間的電壓差大于其電平靈敏電壓200 mV，避免電壓差在200 mV以內時出現信號不確定的現象。另外芯片電源、接地和通信輸出口處分別設有濾波、保護電路防止高壓入侵。RS485通訊電路結構設計如圖4所示。

圖4 RS485通訊電路結構設計

CAN通信占用單片機S12MSCANV3模塊，遵守CAN 2.0A/B協議，采用內部集成有光電耦合、信號處理電路的TD501DCAN通信芯片，除了對芯片電源和接地模塊進行濾波和保護外，還在其通信輸出引腳CAN_L和CAN_H之間設置B82793S0513N201濾波器進行濾波處理，并設置防高壓入侵保護電路。CAN通信電路結構設計如圖5所示。

圖5 CAN通信電路結構設計

2 液壓支架集中控制系統軟件設計

2.1 集中控制器軟件設計

液壓支架的控制模式分為就地和程控兩種模式。其中就地模式為支架控制器不響應集中控制器命令，而是依靠鄰架控制；程控模式為集中控制器遠程控制支架控制器，實現點動、成組以及自動跟機等功能，集中控制器可實時響應上位機的巡檢和控制指令，其控制流程如圖6所示。

圖6 集中控制器控制流程

由圖6可知，集中控制器分別設置鍵盤中斷、串口0中斷和定時器0中斷3個中斷入口，鍵盤中斷用來響應集中控制器自身設置的按鍵功能，包括就地程控切換和參數修改等功能；串口0中斷為響應上位機控制中斷，用來實現自動控制和巡檢功能；定時器0中斷用來執行定時巡檢和通訊自動檢錯等功能。

2.2 通信軟件設計

系統硬件支持RS485和CAN兩種通信總線，可通過上位機利用在線升級更換程序實現通信的切換，其中RS485選擇工作方式3，波特率設為9600 bts，通過配置通信芯片控制引腳切換接收發送狀態。CAN模塊初始化配置為接收狀態，接收時每個報文首先被寫進后臺緩沖區，通過過濾器和屏蔽寄存器驗收后被CPU讀取，因此，其初始化主要是配置接收發送狀態以及過濾器、屏蔽器和寄存器的狀態。RS485和CAN兩種通信軟件配置如圖7所示。

圖7 RS485和CAN兩種通信軟件配置

由于在通信過程中RS485采用Modbus協議，而CAN采用CAN-bus協議，在同一系統中協議固定，只能選擇使用一種總線，因此本系統采用RS485通信總線方式。RS485通信軟件設計如圖8所示。

由圖8可以看出，在程控模式下集中控制器按照協議格式對支架控制器發送功能指令。為了保證通信的可靠性，設置返數校驗，在一定時間內無返數則通信失敗，有返數再進行CRC校驗，校驗正確后即為通信成功。考慮到煤礦井下環境復雜和電磁干擾嚴重，通信過程不排除因強干擾源導致通信失敗的特殊情況，因此通信設置3次發送機制，每次通信失敗后連續再進行2次發送，持續失敗則進行通信故障報警，再次通信成功則記錄通信發送次數，并進入通信自我檢錯環節，通過多次切換程控命令判斷是否仍有類似情況發生，如果頻次較高則進行警示。

圖8 RS485通信軟件設計

3 液壓支架集中控制策略

3.1 液壓支架多模式集中控制總體設計

本系統共包含留三角煤、割三角煤、中部進刀割煤和開壁龕進刀割煤這4種工藝的液壓支架跟機自動化控制，對煤礦大傾角、地勢平坦、長工作面和短工作面等不同的工況條件均有很強的適應能力。每種割煤工藝對應支架的集中控制模式可通過集中控制器菜單進行選擇，每次選擇需經過密碼驗證才可完成更改，否則仍將保持為原設的集中控制模式。工藝切換選擇如圖9所示。

圖9 工藝切換選擇

3.2 液壓支架集中控制功能的實現

本文設計了4種割煤工藝的支架集中控制策略，下面以留三角割煤為例介紹其實現過程。留三角割煤的主要特點是采煤機割煤后追機移架，不移動輸送機。以機頭進刀為例，其工藝流程為：機頭斜切進刀留三角煤→向機尾割煤、裝煤→機頭處移架，不推溜→割煤至機尾→空刀返回→機尾到機頭開始推溜→機頭割三角煤→下一個循環機頭斜切進刀。

根據割煤工藝建立支架集中控制模型，設工作面支架總數為120架，定義采煤機位置以其中心所對應支架號表示設為M，采煤機機身長度以支架數量代替設為N，需控制執行動作支架號設為X。采煤機方向標志“1”表示機頭到機尾，“0”表示機尾到機頭。

(1)采煤機由機頭到機尾開始正常割煤，采煤機正常割煤示意圖如圖10所示。

圖10 采煤機正常割煤示意圖

由圖10可知，在采煤機由機頭到機尾正常割煤過程中，后方支架只移架而不移動刮板輸送機，定義割煤時開始移架，支架與采煤機中心距離為Y(10架左右)。對采煤機由機頭到機尾正常割煤行至的任意位置M(17≤M≤116，采煤機完成進刀后行至17號支架進入正常割煤，最大位移至116號支架)，可以確定應當執行工藝段動作的對應支架號。正常割煤過程中執行動作對應支架號見表1。

表1 正常割煤過程中執行動作對應支架號

(2)在行至機尾割通煤壁后，采煤機空刀返回示意圖如圖11所示。

圖11 采煤機空刀返回示意圖

由圖11可知，在采煤機行至機尾割通煤壁后空刀返回過程中，滯后后滾筒的支架開始推溜，此時移動刮板輸送機。空刀返回時設推溜彎曲段長度為K架，滯后采煤機開始推溜支架號與采煤機中心距離設為L(15架左右)，支架推溜行程全長設為h(100 cm左右)，對采煤機由機尾到機頭空刀返回行至的任意位置M(5≤M≤116)，可以確定應當執行動作及對應的支架號，其中采煤機行至15號支架時開始割三角煤，和正常割煤時算法一致，滾筒前后方一定距離的支架開始噴霧、收伸護幫。空刀返回過程中執行動作對應支架號及動作執行標準見表2。

表2 空刀返回過程中執行動作對應支架號及動作執行標準

(3)在割完三角煤后，采煤機由機頭開始斜切進刀，這個過程需推動刮板輸送機形成彎曲段，采煤機斜切進刀示意圖如圖12所示。

由圖12可知，由于采煤機空刀返回速度較快，因此，支架推溜彎曲段不符合進刀彎曲段的要求，需對采煤機進刀彎曲段支架推溜行程進行獨立設置。這里對采煤機彎曲段長度設為Z(6架≤Z≤10架)，支架推溜行程全長依然為h(100 cm左右)，斜切進刀起始支架號設為P。斜切進刀過程中執行動作對應支架號及動作執行標準見表3。

圖12 采煤機斜切進刀示意圖

支架號X動作行程/cmP+1推溜h/ZP+2推溜2h/ZP+3推溜3h/Z………P+Z推溜h

在彎曲段形成后支架停止推溜，等待采煤機完成進刀。采煤機進刀完畢后繼續割煤，行至離彎曲段3～4號支架距離時停止割煤，支架進入機頭自動追機工藝段，自(P+Z)號開始到機頭1號重新開始推溜，推溜完畢后，從1號支架開始追機移架，不推動輸送機，運行至圖10工作狀態，該工藝段結束，而后進入采煤機正常割煤工藝段，完成循環。

4 試驗結果分析

為了驗證本系統的可靠性和穩定性，對系統進行了性能測試。測試內容包括通訊性能測試和支架集中控制策略測試。測試場所為地面液壓支架電液控制系統試驗平臺，試驗設備包括1臺防爆計算機、1臺集中控制器、120臺支架控制器、1個紅外傳感器。測試當天室內溫度為15 ℃，相對濕度為46%，符合煤礦井下環境條件(溫度0℃～40 ℃，相對濕度≤85%)。

4.1 通訊性能測試

通訊性能測試主要從通信響應是否正確可靠以及響應是否具備實時性兩方面進行測試。測試方法為利用集中控制器從120號到1號依次發送程控指令給支架控制器，通過查詢記錄的通信結果進行性能測試。

支架控制器在接收指令后，通過向集中控制器返回校驗碼、自身支架號、結束碼來進行信息的反饋，其中校驗碼5E代表通信正確，3E代表通信錯誤，自身支架號為一個字節代碼，結束碼為50。集中控制器將支架控制器反饋的信息依次存入起始地址為2000單元的外部RAM中。將通訊失敗支架號依次存入起始地址為1800單元的外部RAM中。通過在IDE中查詢集中控制器外部RAM對應地址所存的數據便可驗證通訊是否成功。

試驗結束后，從外部RAM中2000地址開始依次驗證，120組反饋數據格式均為5E、支架號、50,對應以1800開始的外部RAM存儲地址，無通信錯誤支架號記錄，錯誤率為0%。

通信的實時性測試由防爆計算機發送點動控制指令實現。支架控制器響應成功便會有燈光顯示和蜂鳴器鳴響，測試響應時間為毫秒級，具備實時性。

4.2 控制策略測試

支架集中控制策略的試驗驗證仍在地面試驗臺進行，試驗中使用120臺支架控制器模擬120臺可控液壓支架，使用可移動紅外傳感器模擬運行中的采煤機。測試方法為按照工藝流程移動紅外傳感器的位置，集中控制器根據巡檢到的紅外傳感器位置和運動方向，按照采煤工藝向支架控制器發出動作指令，通過觀察支架控制器的響應狀態來進行測試。在滿足通訊性能可靠性和實時性的前提下，液壓支架集中控制策略可行的判斷依據主要有以下兩點：一是集中控制器可以實時、準確地判斷采煤機位置和運動方向；二是支架控制器可以正確響應集中控制器按照工藝流程所發出的動作命令。

進入測試后，首先是工藝選擇，測試選擇單向割煤留三角煤進刀，之后進入集中控制，從機頭到機尾開始移動紅外傳感器，集中控制器能夠準確地巡檢出采煤機位置信息，并作出方向判斷。進入第4號支架后，集中控制器開始發送集中控制指令。按照工藝，采煤機從第6號支架開始斜切進刀，進刀完畢后行至17號支架等待機頭處支架自動追機完畢，由17號支架開始進入正常割煤工藝。模擬正常割煤工藝繼續移動紅外傳感器到18號支架，對應8號支架開始移架，20～22號支架執行持續噴霧動作，23～25號支架收護幫，指令響應正確。最后，相繼進行了空刀返回和斜切進刀等試驗，支架均可以按照工藝段正確執行動作命令。試驗結果表明，支架集中控制策略具有可靠性和穩定性。

5 結語

基于MC9S12XDP512單片機的液壓支架集中控制系統從立項開始，通過現場調研、方案論證、地面研發和試驗平臺測試，現已經形成可靠的產品。2014年，該系統在晉煤集團古書院礦152304、152305、152308、153303和152313綜采工作面進行了現場測試，并已投入生產，該系統還將于2017年年底在晉煤集團成莊礦的151307工作面投入生產。經過3 a的現場測試和實際運行，系統的各項功能現已基本完善，技術指標處于領先水準。

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(責任編輯 路 強)

ResearchanddesignofcentralizedcontrolsystemforhydraulicsupportbasedonMC9S12XDP512MCU

Zhang Rundong1，2，3, Xu Chunyu1，2，3, Tian Muqin1，2，3, Song Danyang1，2，3, Song Xin1，2，3, Li Xinsheng1，2，3, Xu Jianbing4, Song Jiancheng1，2，3

(1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China;2. Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control, Taiyuan, Shanxi 030024, China;3. National & Provincial Joint Engineering Laboratory of Mining Intelligent Electrical Apparatus Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China;4.Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Technology Research Institute, Jincheng, Shanxi 048006, China)

In order to meet the new technical requirements of automated coal mining technology development in fully mechanized coal mining face，a set of centralized control system for hydraulic support based on a high-performance MC9S12XDP512 MCU was developed.By analyzing underground complex environmental requirements and coal mining automatics indicators, hardware structure and control software of the system were designed and control model of hydraulic support was built， the implementation process of the support's centralized control was introduced in detail with an example of cutting leaving triangular coal.The test proved that the system communication was stable and real-time， and the centralized control strategy was reliable and stable.

fully mechanized coal mining face, MC9S12XDP512 MCU, hydraulic support, centralized control

國家國際科技合作項目——煤礦無人值守工作面液壓支架電液控制系統的研制(2013DFA70750)，山西省國際科技合作計劃項目——無人值守工作面液壓支架自動追機運行控制系統關鍵技術攻關(2015081013)

張潤冬，許春雨，田慕琴等. 基于MC9S12XDP512單片機的液壓支架集中控制系統研究與設計[J].中國煤炭，2017，43(8)：89-95. Zhang Rundong， Xu Chunyu， Tian Muqin, et al. Research and design of centralized control system for hydraulic support based on MC9S12XDP512 MCU[J].China Coal，2017，43(8)：89-95.

TD355.4

A

張潤冬(1993-)，男，河南駐馬店人，太原理工大學在讀研究生，主要研究方向為綜采工作面液壓支架自動化控制。