基于MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统研究与设计

张润冬 许春雨 田慕琴 宋单阳 宋 鑫 李新胜 徐建兵 宋建成

(1.太原理工大学，山西省太原市，030024；2.煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西省太原市，030024；3.矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山西省太原市，030024；4.晋煤集团技术研究院，山西省晋城市，048006)

★ 煤炭科技·机电与信息化★

基于MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统研究与设计

张润冬1，2，3许春雨1，2，3田慕琴1，2，3宋单阳1，2，3宋 鑫1，2，3李新胜1，2，3徐建兵4宋建成1，2，3

(1.太原理工大学，山西省太原市，030024；2.煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西省太原市，030024；3.矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，山西省太原市，030024；4.晋煤集团技术研究院，山西省晋城市，048006)

为了满足综采工作面自动化采煤技术发展所提出的新的技术要求，开发了一套基于高性能MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统，通过分析井下环境要求和采煤自动化技术指标，设计了系统的硬件结构和控制软件，建立了液压支架控制模型，以留三角割煤为例详细介绍了支架集中控制的实现过程。通过试验测试表明，该系统通信具有稳定性和实时性，集中控制策略具有可靠性和稳定性。

综采工作面 MC9S12XDP512单片机 液压支架 集中控制

自动化采煤工作面的发展是采煤现代化和智能化的标志，也是煤炭工业发展“十三五”规划的重要任务。当前，随着物联网技术和大数据技术的引入，煤矿无人值守自动化采煤技术已经越来越先进，对液压支架集中控制的技术要求也越来越高。一方面，电液控制系统中对现场信息处理的快速性和可靠性需要提高，另一方面系统对液压支架控制工艺的稳定性和多样性也需要进行改进。

液压支架的集中控制技术是采煤自动化的关键技术，目前最先进的支架控制技术为电液控制技术。该技术最先由国外开发并发展迅速，以德国、英国和美国为代表的3个国家在电液控制技术的发展上已经较为成熟，其产品也在全球各国销售，并处于垄断地位。国内从70年代开始从国外引进液压支架等综采设备进行综采试验，研发起步较晚，2000年以前，除神东等矿区引进的液压支架外，我国液压支架全部采用手动控制。进入21世纪，虽然开发出了不少可靠性较高的支架控制技术，但是仍然存在信息处理速度较慢、支架控制策略单一、通讯固定以及环境适应性较差等缺点。

针对现有电液控制系统所存在的问题，本文开发了一套基于MC9S12XDP512单片机(16位)的液压支架集中控制系统，该系统在信息处理速度上较传统8位处理器快了一倍，支持RS485和CAN两种通信方式，可以通过外部选择和软件配置进行切换。同时，系统设有多种支架集中控制模式，可适配多种采煤机割煤工艺。

1 液压支架集中控制系统硬件设计

煤矿井下环境恶劣，硬件设计除了满足高速处理、功能优越、芯片容量充足、通信稳定等性能指标外，还应具备防水、防潮、防灰等能力。

1.1 系统整体结构设计

液压支架集中控制系统由防爆计算机、集中控制器、支架控制器、电磁驱动阀以及多种传感器组成，系统采用RS485总线进行通信，其网络通信图如图1所示。

由图1可知，支架控制器是直接安放于液压支架上的监控单元，其上接有电磁驱动阀组和多种传感器，分别实现对液压支架的动作输出控制和状态信息检测。集中控制器是系统的重要组成单元，一方面集中控制器可直接对支架进行点动、成组、自动制导等远程控制；另一方面集中控制器通过对支架控制器进行巡检获取液压支架的状态信息，并传给上位机实现远程监控。防爆计算机位于整个系统的最高层，它的主要作用是将集中控制器接收到的工况信息进行分析、处理、存储和显示，实现远程监控。

图1 液压支架集中控制系统网络通信图

1.2 集中控制器硬件设计

集中控制器硬件由MC9S12XDP512单片机、键盘电路、LCD电路、RS485通讯模块、CAN通讯模块、外部存储模块组成，集中控制器硬件结构如图2所示。

图2 集中控制器硬件结构

控制器处理芯片采用飞思卡尔MC9S12XDP512单片机(16位)，该单片机拥有高达512 KB的Flash存储空间，具有6个异步串行通信接口模块SCI，5个和CAN 2.0协议兼容的CAN模块(MSCAN)等通讯接口资源。在性能上它还引入了协处理器XGATE模块，能以两倍系统时钟的速度运行，可对RAM、Flash和I/O口之间进行高速的数据传输。除此之外，设计PCB电路板所选择的硬件芯片和电阻、电感等元件均可在-40℃～60℃环境下工作，电路板的板面也涂有室温固化透明树脂，可起到防潮、防粘、防尘等效果。

1.3 通信系统硬件设计

为了增强通信的兼容性，系统设置了RS485和CAN两类通信接口，基于两种总线的通信系统可通过集中控制器进行软、硬件配置实现切换。每种通信设置两路，分别与上位机和支架控制器进行通信。通信均采用双绞线电缆，并在接口处设有可控制总线中断与闭合的拨码开关，用来实现通信类型的外部切换。集中控制器通信接口设计如图3所示。

图3 集中控制器通信接口设计

RS485通信电路采用TD501D485H-E芯片，在芯片通信输出端分别接有上拉电阻R1、下拉电阻R3、和匹配电阻R2。从而使得总线之间的电压差大于其电平灵敏电压200 mV，避免电压差在200 mV以内时出现信号不确定的现象。另外芯片电源、接地和通信输出口处分别设有滤波、保护电路防止高压入侵。RS485通讯电路结构设计如图4所示。

图4 RS485通讯电路结构设计

CAN通信占用单片机S12MSCANV3模块，遵守CAN 2.0A/B协议，采用内部集成有光电耦合、信号处理电路的TD501DCAN通信芯片，除了对芯片电源和接地模块进行滤波和保护外，还在其通信输出引脚CAN_L和CAN_H之间设置B82793S0513N201滤波器进行滤波处理，并设置防高压入侵保护电路。CAN通信电路结构设计如图5所示。

图5 CAN通信电路结构设计

2 液压支架集中控制系统软件设计

2.1 集中控制器软件设计

液压支架的控制模式分为就地和程控两种模式。其中就地模式为支架控制器不响应集中控制器命令，而是依靠邻架控制；程控模式为集中控制器远程控制支架控制器，实现点动、成组以及自动跟机等功能，集中控制器可实时响应上位机的巡检和控制指令，其控制流程如图6所示。

图6 集中控制器控制流程

由图6可知，集中控制器分别设置键盘中断、串口0中断和定时器0中断3个中断入口，键盘中断用来响应集中控制器自身设置的按键功能，包括就地程控切换和参数修改等功能；串口0中断为响应上位机控制中断，用来实现自动控制和巡检功能；定时器0中断用来执行定时巡检和通讯自动检错等功能。

2.2 通信软件设计

系统硬件支持RS485和CAN两种通信总线，可通过上位机利用在线升级更换程序实现通信的切换，其中RS485选择工作方式3，波特率设为9600 bts，通过配置通信芯片控制引脚切换接收发送状态。CAN模块初始化配置为接收状态，接收时每个报文首先被写进后台缓冲区，通过过滤器和屏蔽寄存器验收后被CPU读取，因此，其初始化主要是配置接收发送状态以及过滤器、屏蔽器和寄存器的状态。RS485和CAN两种通信软件配置如图7所示。

图7 RS485和CAN两种通信软件配置

由于在通信过程中RS485采用Modbus协议，而CAN采用CAN-bus协议，在同一系统中协议固定，只能选择使用一种总线，因此本系统采用RS485通信总线方式。RS485通信软件设计如图8所示。

由图8可以看出，在程控模式下集中控制器按照协议格式对支架控制器发送功能指令。为了保证通信的可靠性，设置返数校验，在一定时间内无返数则通信失败，有返数再进行CRC校验，校验正确后即为通信成功。考虑到煤矿井下环境复杂和电磁干扰严重，通信过程不排除因强干扰源导致通信失败的特殊情况，因此通信设置3次发送机制，每次通信失败后连续再进行2次发送，持续失败则进行通信故障报警，再次通信成功则记录通信发送次数，并进入通信自我检错环节，通过多次切换程控命令判断是否仍有类似情况发生，如果频次较高则进行警示。

图8 RS485通信软件设计

3 液压支架集中控制策略

3.1 液压支架多模式集中控制总体设计

本系统共包含留三角煤、割三角煤、中部进刀割煤和开壁龛进刀割煤这4种工艺的液压支架跟机自动化控制，对煤矿大倾角、地势平坦、长工作面和短工作面等不同的工况条件均有很强的适应能力。每种割煤工艺对应支架的集中控制模式可通过集中控制器菜单进行选择，每次选择需经过密码验证才可完成更改，否则仍将保持为原设的集中控制模式。工艺切换选择如图9所示。

图9 工艺切换选择

3.2 液压支架集中控制功能的实现

本文设计了4种割煤工艺的支架集中控制策略，下面以留三角割煤为例介绍其实现过程。留三角割煤的主要特点是采煤机割煤后追机移架，不移动输送机。以机头进刀为例，其工艺流程为：机头斜切进刀留三角煤→向机尾割煤、装煤→机头处移架，不推溜→割煤至机尾→空刀返回→机尾到机头开始推溜→机头割三角煤→下一个循环机头斜切进刀。

根据割煤工艺建立支架集中控制模型，设工作面支架总数为120架，定义采煤机位置以其中心所对应支架号表示设为M，采煤机机身长度以支架数量代替设为N，需控制执行动作支架号设为X。采煤机方向标志“1”表示机头到机尾，“0”表示机尾到机头。

(1)采煤机由机头到机尾开始正常割煤，采煤机正常割煤示意图如图10所示。

图10 采煤机正常割煤示意图

由图10可知，在采煤机由机头到机尾正常割煤过程中，后方支架只移架而不移动刮板输送机，定义割煤时开始移架，支架与采煤机中心距离为Y(10架左右)。对采煤机由机头到机尾正常割煤行至的任意位置M(17≤M≤116，采煤机完成进刀后行至17号支架进入正常割煤，最大位移至116号支架)，可以确定应当执行工艺段动作的对应支架号。正常割煤过程中执行动作对应支架号见表1。

表1 正常割煤过程中执行动作对应支架号

(2)在行至机尾割通煤壁后，采煤机空刀返回示意图如图11所示。

图11 采煤机空刀返回示意图

由图11可知，在采煤机行至机尾割通煤壁后空刀返回过程中，滞后后滚筒的支架开始推溜，此时移动刮板输送机。空刀返回时设推溜弯曲段长度为K架，滞后采煤机开始推溜支架号与采煤机中心距离设为L(15架左右)，支架推溜行程全长设为h(100 cm左右)，对采煤机由机尾到机头空刀返回行至的任意位置M(5≤M≤116)，可以确定应当执行动作及对应的支架号，其中采煤机行至15号支架时开始割三角煤，和正常割煤时算法一致，滚筒前后方一定距离的支架开始喷雾、收伸护帮。空刀返回过程中执行动作对应支架号及动作执行标准见表2。

表2 空刀返回过程中执行动作对应支架号及动作执行标准

(3)在割完三角煤后，采煤机由机头开始斜切进刀，这个过程需推动刮板输送机形成弯曲段，采煤机斜切进刀示意图如图12所示。

由图12可知，由于采煤机空刀返回速度较快，因此，支架推溜弯曲段不符合进刀弯曲段的要求，需对采煤机进刀弯曲段支架推溜行程进行独立设置。这里对采煤机弯曲段长度设为Z(6架≤Z≤10架)，支架推溜行程全长依然为h(100 cm左右)，斜切进刀起始支架号设为P。斜切进刀过程中执行动作对应支架号及动作执行标准见表3。

图12 采煤机斜切进刀示意图

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

在弯曲段形成后支架停止推溜，等待采煤机完成进刀。采煤机进刀完毕后继续割煤，行至离弯曲段3～4号支架距离时停止割煤，支架进入机头自动追机工艺段，自(P+Z)号开始到机头1号重新开始推溜，推溜完毕后，从1号支架开始追机移架，不推动输送机，运行至图10工作状态，该工艺段结束，而后进入采煤机正常割煤工艺段，完成循环。

4 试验结果分析

为了验证本系统的可靠性和稳定性，对系统进行了性能测试。测试内容包括通讯性能测试和支架集中控制策略测试。测试场所为地面液压支架电液控制系统试验平台，试验设备包括1台防爆计算机、1台集中控制器、120台支架控制器、1个红外传感器。测试当天室内温度为15 ℃，相对湿度为46%，符合煤矿井下环境条件(温度0℃～40 ℃，相对湿度≤85%)。

4.1 通讯性能测试

通讯性能测试主要从通信响应是否正确可靠以及响应是否具备实时性两方面进行测试。测试方法为利用集中控制器从120号到1号依次发送程控指令给支架控制器，通过查询记录的通信结果进行性能测试。

支架控制器在接收指令后，通过向集中控制器返回校验码、自身支架号、结束码来进行信息的反馈，其中校验码5E代表通信正确，3E代表通信错误，自身支架号为一个字节代码，结束码为50。集中控制器将支架控制器反馈的信息依次存入起始地址为2000单元的外部RAM中。将通讯失败支架号依次存入起始地址为1800单元的外部RAM中。通过在IDE中查询集中控制器外部RAM对应地址所存的数据便可验证通讯是否成功。

试验结束后，从外部RAM中2000地址开始依次验证，120组反馈数据格式均为5E、支架号、50,对应以1800开始的外部RAM存储地址，无通信错误支架号记录，错误率为0%。

通信的实时性测试由防爆计算机发送点动控制指令实现。支架控制器响应成功便会有灯光显示和蜂鸣器鸣响，测试响应时间为毫秒级，具备实时性。

4.2 控制策略测试

支架集中控制策略的试验验证仍在地面试验台进行，试验中使用120台支架控制器模拟120台可控液压支架，使用可移动红外传感器模拟运行中的采煤机。测试方法为按照工艺流程移动红外传感器的位置，集中控制器根据巡检到的红外传感器位置和运动方向，按照采煤工艺向支架控制器发出动作指令，通过观察支架控制器的响应状态来进行测试。在满足通讯性能可靠性和实时性的前提下，液压支架集中控制策略可行的判断依据主要有以下两点：一是集中控制器可以实时、准确地判断采煤机位置和运动方向；二是支架控制器可以正确响应集中控制器按照工艺流程所发出的动作命令。

进入测试后，首先是工艺选择，测试选择单向割煤留三角煤进刀，之后进入集中控制，从机头到机尾开始移动红外传感器，集中控制器能够准确地巡检出采煤机位置信息，并作出方向判断。进入第4号支架后，集中控制器开始发送集中控制指令。按照工艺，采煤机从第6号支架开始斜切进刀，进刀完毕后行至17号支架等待机头处支架自动追机完毕，由17号支架开始进入正常割煤工艺。模拟正常割煤工艺继续移动红外传感器到18号支架，对应8号支架开始移架，20～22号支架执行持续喷雾动作，23～25号支架收护帮，指令响应正确。最后，相继进行了空刀返回和斜切进刀等试验，支架均可以按照工艺段正确执行动作命令。试验结果表明，支架集中控制策略具有可靠性和稳定性。

5 结语

基于MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统从立项开始，通过现场调研、方案论证、地面研发和试验平台测试，现已经形成可靠的产品。2014年，该系统在晋煤集团古书院矿152304、152305、152308、153303和152313综采工作面进行了现场测试，并已投入生产，该系统还将于2017年年底在晋煤集团成庄矿的151307工作面投入生产。经过3 a的现场测试和实际运行，系统的各项功能现已基本完善，技术指标处于领先水准。

[1] 耿泽昕，宋建成，许春雨等.自动化采煤控制系统设计[J]. 工矿自动化，2016(4)

[2] 张明敏，夏鹏，崔亚斌.液压支架电液控制器信号采集系统的设计与试验研究[J].中国煤炭，2014(5)

[3] 伍小杰，程尧，崔建民等. 液压支架电液控制系统设计[J]. 煤炭科学技术，2011(4)

[4] 汪佳彪，王忠宾，张霖等. 基于以太网和CAN总线的液压支架电液控制系统研究[J]. 煤炭学报，2016(6)

[5] 王国法. 液压支架技术体系研究与实践[J]. 煤炭学报，2010(11)

[6] 李首滨，韦文术，牛剑峰. 液压支架电液控制及工作面自动化技术综述[J]. 煤炭科学技术，2007(11)

[7] 李磊，宋建成，田慕琴等. 基于DSP和RS485总线的液压支架电液控制通信系统的设计[J].煤炭学报，2010(4)

[8] 杨世华，宋建成，田幕琴等. 基于双RS485总线的液压支架运行状态监测系统开发[J]. 工矿自动化，2014(8)

[9] 于亚运，宋建成，田慕琴等. 液压支架跟机自动控制系统的开发及应用[J]. 煤矿机械，2015(8)

[10] 牛剑峰. 综采液压支架跟机自动化智能化控制系统研究[J]. 煤炭科学技术，2015(12)

[11] 白景双，孙文博. 综采工作面实行单向割煤[J]. 煤炭科学技术，1994(11)

[12] 张雪锋.SAC型液压支架电液控制系统在耿村煤矿的应用[J]. 中国煤炭，2012(12)

[13] 孙勇.基于PLC的综采变频调速恒压供液自动控制系统研究[J].中国煤炭，2012(4)

[14] 吕松， 张戈，漆涛，陈太光等.自动放顶煤技术在急倾斜特厚煤层应用研究[J].中国煤炭，2015(9)

(责任编辑 路 强)

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

国家国际科技合作项目——煤矿无人值守工作面液压支架电液控制系统的研制(2013DFA70750)，山西省国际科技合作计划项目——无人值守工作面液压支架自动追机运行控制系统关键技术攻关(2015081013)

张润冬，许春雨，田慕琴等. 基于MC9S12XDP512单片机的液压支架集中控制系统研究与设计[J].中国煤炭，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

张润冬(1993-)，男，河南驻马店人，太原理工大学在读研究生，主要研究方向为综采工作面液压支架自动化控制。