基于MC9S12XDP512單片機的液壓支架支架控制器的研究與設(shè)計

張潤冬 田慕琴 許春雨 宋單陽 馬旭東 陳 昆 徐建兵 宋建成

(1.太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024；2.煤礦電氣設(shè)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(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西省太原市，030024；4.晉煤集團技術(shù)研究院，山西省晉城市，048006)

當前，隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，對液壓支架控制的功能要求也越來越高。傳統(tǒng)的電液控制系統(tǒng)支架控制器存在信息處理速度較慢、功能不足以及可靠性較低等問題，難以滿足現(xiàn)階段自動化綜采工作面的技術(shù)要求。因此，開發(fā)一套高性能的液壓支架支架控制器具有較強的現(xiàn)實意義。

電液控制系統(tǒng)的發(fā)展在國外依然處于領(lǐng)先地位，國外先進的液壓支架電液控制系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了系統(tǒng)故障診斷、支架自動控制、支架狀態(tài)監(jiān)測與自動調(diào)整等功能并應(yīng)用成熟。以美國、英國、德國為代表的國家其電液控制產(chǎn)品在全球各國銷售，并處于壟斷地位。國內(nèi)電液控制系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，截止到目前也取得了長足的進展，可以實現(xiàn)對液壓支架的鄰架動作控制、成組動作控制、狀態(tài)信息監(jiān)測等功能，滿足煤礦生產(chǎn)的基本要求。然而，由于煤礦井下環(huán)境惡劣，減少工人工作量以及提高控制系統(tǒng)的實時性和可靠性依然是當前礦井自動化發(fā)展的主要任務(wù)之一，這不但需要功能開發(fā)，更需要設(shè)備具備充足的硬件資源與強大的性能支持。

為了加快煤礦自動化發(fā)展的步伐，縮小國內(nèi)外之間的差距，本文設(shè)計了一套基于高性能MC9S12XDP512單片機的液壓支架支架控制器方案，該控制器具有信息處理速度快、可靠性高、功能豐富等特點，可以滿足現(xiàn)階段煤礦生產(chǎn)的要求。

1 液壓支架支架控制器功能設(shè)計

液壓支架是采煤工作面用于支護的綜采設(shè)備，其上接有電磁驅(qū)動閥組和多種傳感器，支架控制器是操控裝置，支架控制器通過控制電磁驅(qū)動閥的開斷控制液壓支架的動作，通過采集液壓支架傳感器的模擬量信息獲知支架的狀態(tài)。本文根據(jù)采煤技術(shù)要求，對支架控制器的功能設(shè)計為：鄰架動作控制功能、成組動作控制功能、模擬量采集與顯示功能、姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整功能、故障診斷功能。

2 液壓支架支架控制器硬件設(shè)計

根據(jù)支架控制器的功能設(shè)計，支架控制器需完成電磁先導(dǎo)閥的驅(qū)動、鄰架信息的傳遞、模擬量信息的采集、狀態(tài)信息的顯示、人工操作的識別等任務(wù)，具體應(yīng)包含通信模塊、信號采集與處理模塊、人機交互模塊、電磁驅(qū)動模塊等硬件。

2.1 支架控制器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

支架控制器由中央處理單元、基本配置單元、通信單元、電磁驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)采集單元以及人機交互單元組成。支架控制器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 支架控制器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

其中，支架控制器中央處理單元CPU采用飛思卡爾的MC9S12XDP512型16位單片機，該單片機不但資源豐富，還引入了協(xié)處理器XGATE模塊，可以協(xié)助主CPU進行中斷程序執(zhí)行，提高運行效率。通信采用RS485總線通信，其平衡發(fā)送和差分接收的方式具有抑制共模干擾的能力，通信距離可達1200 m，滿足綜采工作面長距離可靠傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 支架控制器通信模塊設(shè)計

支架控制器通信是實現(xiàn)支架鄰架動作控制、成組動作控制的基礎(chǔ)，通信性能與通信可靠性十分重要。本文采用的是RS485通信，并在支架控制器內(nèi)部設(shè)置兩個通信模塊分別用于支架控制器的左鄰架通信和右鄰架通信，支架控制器左右通信模塊采用同樣的電路設(shè)計，其電路圖如圖2所示。

圖2 RS485通信模塊電路設(shè)計

為了保證通信的可靠性，首先在芯片的電源輸入模塊加入低通濾波電路和防噪聲干擾電路，保證電壓的輸入質(zhì)量。然后，在通信模塊的信號輸出線上設(shè)置匹配電阻R2和偏置電阻R1和R3，提高通信的噪聲裕度。為了保證多路通信之間不相互干擾，在信號輸出線并聯(lián)電容C1和C2，提高通信的EMI性能，同時設(shè)置濾波電路防止諧波干擾。最后加入防高壓保護電路對通信模塊進行保護。

2.3 支架控制器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

支架控制器數(shù)據(jù)采集模塊主要是將各個傳感器的模擬輸出信號調(diào)理為CPU模數(shù)端口可識別的穩(wěn)定信號。本文根據(jù)各個傳感器的輸出信號特點以及CPU的A/D信號性能指標設(shè)計了數(shù)據(jù)采集模塊。信號采集模塊由調(diào)理、保護、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理電路組成；信號調(diào)理電路將傳感器信號通過匹配阻抗調(diào)理到單片機可識別的范圍，并進行波形放大、濾波處理。信號保護電路為模擬信號的電壓限定保護，保證單片機接收端電壓信號在安全范圍；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理模塊由單片機內(nèi)部的ADC完成，將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并經(jīng)過內(nèi)部程序的分析、擬合進行顯示。

2.4 支架控制器電磁驅(qū)動模塊設(shè)計

支架控制器電磁驅(qū)動模塊用于驅(qū)動液壓支架的電磁先導(dǎo)閥，是實現(xiàn)其動作控制的基礎(chǔ)。本文根據(jù)電磁閥的驅(qū)動特性以及CPU的I/O口輸出特點設(shè)計了電磁驅(qū)動單元。電磁閥驅(qū)動電壓為12 V，單片機無法直接驅(qū)動，設(shè)計驅(qū)動單元利用外部電源驅(qū)動電磁閥，單片機I/O接口設(shè)置為開關(guān)量，通過輸出高低電平控制開關(guān)元件MOSFET的關(guān)斷間接控制驅(qū)動電壓的輸出與停止。為了保證驅(qū)動的安全性與可靠性，本文還根據(jù)參數(shù)指標設(shè)計了限流電阻、濾波電容、接地保護等電路。

3 液壓支架支架控制器功能的實現(xiàn)

根據(jù)液壓支架的功能特點和系統(tǒng)的技術(shù)要求，支架控制器不但要實現(xiàn)支架動作控制、支架狀態(tài)監(jiān)測等基本功能，還應(yīng)具備根據(jù)傳感器的信息智能分析支架狀態(tài)并做出調(diào)整的功能。為了保證支架控制器的可靠運行，本文還設(shè)計了支架控制器的故障診斷功能。

3.1 支架控制器基本功能的實現(xiàn)

支架控制器的基本功能包括液壓支架的動作輸出功能和液壓支架運行狀態(tài)在線監(jiān)測功能。

3.1.1 液壓支架動作輸出功能的實現(xiàn)

根據(jù)采煤技術(shù)要求，不允許操作人員站在液壓支架控制本架動作，本系統(tǒng)設(shè)計的支架控制器控制模式采用鄰架控制。支架控制器控制鄰架動作依靠通信模塊實現(xiàn)，具體流程如下：首先，通過支架控制器左右預(yù)選鍵選擇鄰架控制器地址，選擇完畢后摁下動作鍵，支架控制器響應(yīng)鍵盤中斷，利用鄰架通信發(fā)送相應(yīng)的動作指令。鄰架控制器接收指令并識別，然后驅(qū)動相應(yīng)的電磁先導(dǎo)閥實現(xiàn)動作的輸出。當支架控制器需控制左側(cè)或右側(cè)更遠距離的液壓支架時，動作指令通過鄰架通信通道依次傳遞，每臺支架控制器接收指令后校驗地址碼，如果不一致繼續(xù)傳遞給下一架，如果一致則停止傳遞，開始接收指令。最后，通過識別指令動作碼驅(qū)動對應(yīng)的先導(dǎo)閥執(zhí)行動作，支架控制器鄰架控制示意圖如圖3所示。

根據(jù)井下特殊環(huán)境，人員目視距離不超過3臺液壓支架，本文設(shè)計的鄰架控制最遠距離為3臺，即每臺支架控制器可對自身左右鄰架各3臺支架控制器進行動作輸出控制。

圖3 支架控制器鄰架控制示意圖

3.1.2 液壓支架運行狀態(tài)在線監(jiān)測功能的實現(xiàn)

液壓支架的狀態(tài)監(jiān)測主要是對其立柱壓力值、推溜位移量、采煤機位置信息的實時獲取與顯示。本文設(shè)計了四路模擬量轉(zhuǎn)換電路，可對液壓支架的前立柱壓力、后立柱壓力、推溜行程、采煤機位置進行實時監(jiān)測。信號轉(zhuǎn)換模塊包括傳感器采集模塊，信號處理模塊，信號保護模塊以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

采煤機位置信息是通過紅外信號感知實現(xiàn)監(jiān)測，每一臺支架控制器內(nèi)部集成有紅外接收器，當支架控制器監(jiān)測到有紅外信號時則認為采煤機目前所處位置在本架液壓支架，采煤機位置監(jiān)測方案如圖5所示。

圖5 采煤機位置監(jiān)測方案

3.3 支架控制器姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整功能的實現(xiàn)

在采煤過程中，由于井下環(huán)境惡劣，頂板地面條件復(fù)雜多變，因此液壓支架在移架過程容易發(fā)生支架姿態(tài)的變化。本文根據(jù)支架控制器的功能特點，提出了一種基于支架控制器的液壓支架姿態(tài)調(diào)整方法，該方法通過軟件實現(xiàn)。

決定液壓支架姿態(tài)的因素有兩個，分別是液壓支架的高度和液壓支架的頂?shù)装褰嵌?。其中，液壓支架的高度可以通過執(zhí)行升柱降柱實現(xiàn)調(diào)整，液壓支架的頂?shù)装褰嵌瓤梢酝ㄟ^執(zhí)行伸縮平衡梁實現(xiàn)調(diào)整。本文設(shè)計的液壓支架監(jiān)測與調(diào)整方法綜合了液壓支架高度和液壓支架頂?shù)装褰嵌刃畔?，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)機制實現(xiàn)。液壓支架姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整的整體流程如圖6所示。

圖6 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測與調(diào)整的整體流程

由圖6可以看出，首先支架控制器進行姿態(tài)監(jiān)測，當姿態(tài)不正常時，先進行高度的監(jiān)測與調(diào)整，調(diào)整完畢再進入支架頂?shù)装褰嵌鹊谋O(jiān)測與調(diào)整，整個調(diào)整過程設(shè)有閉環(huán)校驗，如果調(diào)整不徹底或不達標則重新進行調(diào)整，直到支架姿態(tài)正常再退出。

液壓支架的高度調(diào)整通過壓力監(jiān)測并執(zhí)行升柱和降柱來實現(xiàn)。液壓支架的立柱壓力值決定著液壓支架的高度是否處于安全高度，當支架的立柱壓力為初撐壓力時，證明液壓支架頂梁與煤層頂板有效接觸并承壓，此時應(yīng)停止升柱，支架高度為安全高度。當支架立柱壓力低于初撐壓力時，則支架頂梁處于脫頂或擦頂狀態(tài)，此時液壓支架應(yīng)該繼續(xù)升柱提高高度，壓力值大于初撐壓力則需要執(zhí)行降柱操作，適當降低高度。液壓支架的高度調(diào)整流程如圖7所示。

圖7 液壓支架的高度調(diào)整流程

液壓支架的頂?shù)装褰嵌日{(diào)整通過在頂?shù)装灏惭b傾角傳感器來實現(xiàn)。傾角傳感器分別測量頂?shù)装逑鄬λ椒较虻膴A角，按照采煤技術(shù)要求，頂?shù)装宓膴A角β需滿足0°≤β≤5°，支架控制器依此為依據(jù)進行頂?shù)装遄藨B(tài)監(jiān)測。當頂?shù)装褰嵌仍谡`差范圍外時，支架控制器進行角度調(diào)整。支架的角度調(diào)整設(shè)計為盲探法，即當角度不正常時，先執(zhí)行伸平衡動作，執(zhí)行時間可通過參數(shù)設(shè)置，如果單次調(diào)整結(jié)束角度誤差變小，則進入閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到角度在誤差范圍內(nèi)。如果單次調(diào)整完畢角度誤差變大，則進入收平衡動作的閉環(huán)環(huán)節(jié)，直到角度調(diào)整到符合誤差范圍再退出。液壓支架的頂?shù)装褰嵌日{(diào)整流程如圖8所示。

圖8 液壓支架的頂?shù)装褰嵌日{(diào)整流程

3.4 支架控制器故障診斷方法的實現(xiàn)

在采煤過程中，由于環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)可能會因為現(xiàn)場事故出現(xiàn)無法正常工作的情況，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，支架控制器常遇到的故障有電纜斷裂、電纜未有效連接、通信模塊故障、外部存儲故障等類型。針對以上問題，本文設(shè)計了支架控制器故障診斷方法，可實現(xiàn)故障的自動診斷、定位并通過人機交互界面進行顯示和預(yù)警。根據(jù)支架控制器的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計的故障診斷主要針對支架控制器的存儲模塊和通信模塊進行。

3.4.1 存儲模塊故障診斷

支架控制器外部設(shè)有存儲電路，本文采用的是MAXIM公司的DS1249Y型非易失性外部存儲器。該存儲器設(shè)有18個地址管腳A0～A17，8個數(shù)據(jù)管腳DQ0～DQ7，其中地址管腳選用A0～A15共16個，剩余兩個空置，數(shù)據(jù)管腳全部選用共8個。存儲模塊是否正常主要是對其數(shù)據(jù)引腳是否有效進行檢驗。引腳高電平為“1”，低電平為“0”，因此通過對所有數(shù)據(jù)引腳進行高低電平是否有效的檢測來判斷存儲模塊是否正常。設(shè)定檢測方法如下：選取恰當?shù)臄?shù)據(jù)對空閑地址進行寫入和讀出，當寫入讀出一致則認為該次所涵蓋的數(shù)據(jù)引腳電平有效。為了檢測所有數(shù)據(jù)引腳選取十六進制立即數(shù)“#$5A”和“#$A5”分別對應(yīng)的二進制“01011010”和“10100101”覆蓋了所有引腳的高低電平。執(zhí)行時對空閑地址1寫入“#$5A”，對空閑地址2寫入“#$A5”，并進行數(shù)據(jù)讀出校驗。再對空閑地址1寫入“#$A5”，對空閑地址2寫入“#$5A”，并進行數(shù)據(jù)讀出校驗，兩次校驗全部正確則外部RAM正常，否則在支架控制器人機交互界面進行故障提示預(yù)警。存儲模塊測試流程如圖9所示。

圖9 存儲模塊測試流程

3.4.2 通信模塊故障診斷

支架控制器之間采用RS485通信，通信模式為主從應(yīng)答機制。本文根據(jù)支架控制器之間的通信特點，將常見的通信故障總結(jié)為左通信故障和右通信故障兩類，每類通信故障原因分別為發(fā)送失敗、無數(shù)據(jù)返回和數(shù)據(jù)內(nèi)容錯誤。支架控制器通信模型如圖10所示。

圖10 支架控制器通信模型

支架控制器執(zhí)行鄰架通信過程如下：首先設(shè)置自身為主機，再根據(jù)要求向鄰架發(fā)送指令，鄰架控制器接收指令數(shù)據(jù)并校驗，校驗正確向支架控制器返回正確標志碼，然后執(zhí)行功能，校驗錯誤則返回錯誤碼，不執(zhí)行功能。根據(jù)支架控制器的鄰架通信模式，分別對通信過程中發(fā)送、接收和返回3個過程進行校驗，通信時任一流程出現(xiàn)錯誤便進行故障記錄和預(yù)警。通信故障診斷流程如圖11所示。

圖11 通信故障診斷流程

4 試驗驗證

為了驗證方案的可靠性與正確性，本文分別在地面試驗臺以及液壓支架車間測試了支架控制器的功能。由于試驗條件限制，支架控制器未接入傳感器，測試內(nèi)容主要包括支架控制器基本功能測試和支架控制器故障診斷功能測試。

4.1 支架控制器基本功能測試

4.1.1 鄰架控制功能

鄰架控制測試的主要目的一是考驗支架控制器的通信是否快速和穩(wěn)定，二是考驗支架控制器的驅(qū)動是否可靠和正常。選中左鄰架控制器后，摁下動作輸出鍵，鄰架支架控制器迅速做出反應(yīng)，響應(yīng)時間為毫秒級。鄰架控制功能動作測試如圖12所示。

4.1.2 狀態(tài)監(jiān)測功能

試驗臺沒有接入壓力和行程傳感器，因此支架控制器狀態(tài)信息壓力為000 MPa，位移為000 cm；通過將紅外發(fā)射器對準3號支架控制器進行紅外信號采集試驗，支架控制器可采集到紅外信息并在顯示界面“是”和“否”來反應(yīng)紅外信號的狀態(tài)。在線狀態(tài)監(jiān)測界面如圖13所示。

圖12 鄰架控制功能動作測試

圖13 在線狀態(tài)監(jiān)測界面

4.2 支架控制器故障診斷功能測試

4.2.1 存儲模塊故障診斷

(1)故障設(shè)置1。將正常的外部RAM的3根數(shù)據(jù)引腳開路接入支架控制器進行試驗，支架控制器按照設(shè)計的故障診斷方法執(zhí)行，在數(shù)秒內(nèi)完成檢驗，并在界面進行提示。外部RAM數(shù)據(jù)引腳開路診斷如圖14所示。

圖14 外部RAM數(shù)據(jù)引腳開路診斷

(2)故障設(shè)置2?？罩猛獠縍AM存儲模塊，直接進行存儲模塊故障診斷，支架控制器也可以診斷出故障，并在界面顯示故障原因。外部RAM空置診斷如圖15所示。

圖15 外部RAM空置診斷

4.2.2 通信模塊故障診斷

斷開選定支架控制器左側(cè)電纜，模擬電纜脫落或斷裂的故障，對支架控制器進行左鄰架動作控制，分別測試了推溜和移架動作，支架控制器界面顯示出的通信模塊故障診斷如圖16所示。

圖16 通信模塊故障診斷

4.3 支架控制器現(xiàn)場測試

為了驗證支架控制器是否滿足要求，本文在液壓支架車間對支架控制器進行了現(xiàn)場測試，車間提供了9架液壓支架進行試驗，為了檢測支架控制器的功能，液壓支架全部供液。經(jīng)測試，支架控制器可完成升柱、降柱、伸收、伸縮、噴霧等16個單動作的鄰架控制以及推溜、拉架等成組動作控制，響應(yīng)速度快，動作執(zhí)行可靠，能夠滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文基于MC9S12XDP512高性能單片機的液壓支架支架控制器在實現(xiàn)液壓支架控制、監(jiān)測等基本功能的基礎(chǔ)上提出了更先進的支架控制策略和故障診斷方法，有效地解決了井下支架姿態(tài)人工調(diào)整工序復(fù)雜、工作量大、井下控制器維修困難以及故障原因難以判定等問題。本文所研究的支架控制器為課題組第二代產(chǎn)品，已通過地面試驗驗證和現(xiàn)場測試，具備處理信息快、功能豐富、可靠性強的特點。

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