自动化工作面液压支架高端端头控制器的开发

摘要

本文是国家国际科技合作专项“无人值守工作面液压支架电液控制系统的研制”（项目编号:2013DFA70750）和山西省重大专项“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”（项目编号：2015081013）的重要组成部分。本课题是针对国内电液控制系统存在的信息处理速度慢、支架控制策略单一、通信模式固定、自动化程度低、环境适应性差等缺陷而提出。 液压支架是采煤自动化工作面中的关键设备，不仅为采煤作业提供安全工作空间，还要根据采煤机位置和刮板输送机的状态，控制相关设备协调运作，推进工作面前进，完成采煤工艺。目前，实现液压支架综合自动化控制最有效的技术途径是液压支架电液控制系统，然而国内电液控制系统起步较晚，发展缓慢，基本依靠进口，而国外产品具有价格昂贵，维修周期长的缺点，这不利于我国煤炭工业的发展。为了缩小国内外之间的差距，本文以开发一套拥有自主产权的高端液压支架端头控制器集中控制系统为目标，设计了基于资源丰富高性能单片机MC9S12XDP512的端头控制器，与防爆计算机、支架控制器共同组成了井下液压支架三级监控网络。除了满足矿井基本要求外，端头控制器内部集成了四种割煤工艺的液压支架集中控制模式，支持RS485、CAN两种总线通信，实现了综采工作面液压支架多种割煤方式下的自动跟机控制、远程点动控制、支架状态信息的快速实时监测、支架压力自动调整、支架程控自动测试、系统参数修改、系统在线升级、系统故障诊断、总线通信管理、总线备份切换等功能。本文的主要研究内容如下： 1、通过查阅文献、参加国际煤矿设备展览、现场调研等方式认识了当前国内外电液控制系统的发展现状；通过井下实地考察并与技术人员深入沟通了解了国内煤炭生产的自动化流程以及现阶段发展煤炭生产全自动化、智能化所存在的技术难关。针对国内与国外存在差距以及国内电液控制系统现阶段存在的技术难关，确定了高端端头控制器的功能要求和技术指标并建立了系统模型。 2、针对煤矿安全要求和系统技术指标设计了端头控制器的硬件结构。以MC9S12XDP512十六位单片机为核心处理器，设计了本安供电电路、键盘电路、屏幕显示电路、外部存储电路以及复位电路。在以上基础上设计了RS485、CAN两种通信模块以增强端头控制器的通信兼容性并设计了通信管理以及通信滤波电路。最后，根据原理图绘制了PCB电路板并印刷成样品，通过性能试验、火花试验测试了电路板，测试结果表明端头控制器硬件电路可靠、参数符合本安要求可适应矿下的恶劣环境。 3、针对煤矿自动化生产的功能要求设计了基于CodeWarrior IDE软件开发平台的端头控制器软件。主要开发了屏幕显示、键盘扫描、通信配置、通信管理、控制逻辑、数据分析、FLASH存储管理、外部RAM存储与管理等软件，实现了集操作、显示、控制、监测、数据存储、逻辑判断、故障诊断于一体的高端端头控制器。具体可实现支架点动控制功能、支架成组控制功能、支架程控自动测试功能、支架多种割煤方式的自动追机控制功能、支架立柱压力自动调整功能、系统参数修改功能、系统状态在线监测功能、系统故障诊断功能、系统通信总线选择与切换功能、端头控制器和支架控制器程序在线升级功能。 最后，在煤矿无人值守综采工作面液压支架电液控制系统试验台完成了端头控制器的测试。测试结果表明本文所开发的端头控制器满足高端支架集中控制系统的设计要求，通信性能稳定、控制策略可靠，达到了国内先进的技术水准。

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自动化工作面液压支架高端端头控制器的开发

摘 要

DEVELOPMENT OF TERMINAL CONTROLLER FOR HYDRAULIC S

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 国外研究动态

1.2.2 国内研究动态

1.3 研究目标及内容

第二章 总体方案设计

端头控制器是液压支架电液控制系统的重要组成部分，是实现系统信息数据传输以及自动化控制过程中必

2.1 液压支架电液控制系统总体结构

2.2 端头控制器通信系统的设计

2.2.1 通信类型的选择

2.2.2 端头控制器双总线通信设计

2.2.3 端头控制器备份总线设计

2.2.4 端头控制器通信模式设计

2.3 端头控制器基本功能的设计

2.3.1 液压支架控制功能

2.3.2 系统参数在线修改方案设计

2.3.3 液压支架状态在线监测方案设计

2.4 系统故障诊断方案设计

2.4.1 系统外部存储模块故障诊断

2.4.2 系统通信模块故障诊断

2.5 液压支架立柱压力自动调整方案设计

2.6 液压支架程控自动测试功能的设计

2.6.1 单架多动作自动测试

2.6.2 单动作多架自动测试

2.8 系统多种模式集控方案的设计

2.8.1 多种模式集控工艺总体设计

2.8.2 液压支架集控模型

2.9 基于16位单片机程序在线升级方案的设计

2.9.1 电液控制系统在线升级整体流程

2.9.2 十六位单片机的升级方案设计

2.10 端头控制器硬件技术指标

2.11 本章小结

第三章 端头控制器硬件设计

3.1 端头控制器硬件整体结构设计

3.2 单片机的选型

3.2.1 端头控制器硬件资源需求

3.2.2 单片机的选择

3.3 单片机最小系统的硬件设计

3.3.1 电源模块

3.3.2 晶振模块

3.3.3 复位模块

3.4 人机交互单元的硬件设计

3.4.1 屏幕显示模块设计

3.4.2 键盘模块设计

3.5 外部存储单元

3.6 通信单元硬件设计

3.6.1 RS485通信模块电路设计

3.6.2 CAN通信模块电路设计

3.6.3 总线通信管理模块的设计

3.6.4 波形测试

3.7 声光报警单元硬件设计

3.8 硬件可靠性措施

3.9 本章小结

第四章 端头控制器软件设计

4.1 端头控制器软件开发平台的选择

4.2 端头控制器软件总体设计方案

4.3 端头控制器软件初始化

4.4 端头控制器人机交互功能的软件设计

4.5 端头控制器基本功能的软件设计

4.5.1 端头控制器与井下防爆计算机通信软件设计

4.5.2 端头控制器与支架控制器通信软件设计

4.6 端头控制器故障诊断功能的软件设计

4.6.1 存储模块故障诊断的软件设计

4.6.2 系统通信故障诊断功能的软件设计

4.7 液压支架立柱压力自动调整功能的软件设计

4.7.1 支架控制器压力自动调整

4.7.2 压力调整参数的设定

4.7.3 液压支架压力自动调整端头控制器软件设计

4.8 端头控制器程控自动测试功能的软件设计

4.8.1 单架多动作测试功能的软件设计

4.8.2 单动作多架测试功能的软件设计

4.9 端头控制器多模式切换集控软件设计

4.9.1 端头控制器多模式切换集控软件整体设计

4.9.2 四种割煤方式关键工艺段的软件设计

4.9.3 集控可靠性措施

4.10 基于16位单片机程序在线升级功能的软件设计

4.10.1 MC9S12XDP512单片机的FLASH结构

4.10.2 系统在线升级整体流程介绍

4.10.3 MC9S12XDP51单片机代码的擦除与烧写软件设计

4.11 通信总线切换功能的软件设计

4.12 本章小结

第五章 端头控制器地面调试

5.1电液控制系统地面试验平台

5.2 端头控制器硬件测试

5.2.1 端头控制器硬件模块检测

5.2.2 端头控制器火花实验

5.3 端头控制器功能调试

5.3.1 人机交互功能的调试

5.3.2 端头控制器基本功能的调试

5.3.3 端头控制器故障诊断功能的调试

5.3.4 液压支架立柱压力自动调整功能的调试

5.3.5 端头控制器程控自动测试功能的调试

5.3.6 端头控制器多种割煤工艺集中控制功能的调试

5.3.7 系统在线升级功能调试

5.3.8 通信总线切换调试

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 本文研究结论

6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果