液壓支架多機(jī)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)分析探討

夏潤生，吳德生，潘六壽

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦 機(jī)電安裝隊(duì)，安徽 淮南 232100）

0 引言

綜采面液壓支架計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：支架控制系統(tǒng)）是一種多計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，每臺(tái)液壓支架均由一臺(tái)計(jì)算機(jī)支架控制器，通過串口將工作面所有支架的控制器連接起來，形成局域通信網(wǎng)?？刂破鞒藢?duì)本支架控制和監(jiān)測(cè)，還可接收其它控制器的控制命令，或向其它控制器發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)本架控制、鄰架控制、隔架控制、成組控制、采煤機(jī)位置自動(dòng)控制等功能。目前，煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的支架控制系統(tǒng)主要有德國DBT，美國JOY 等公司的產(chǎn)品，不同公司產(chǎn)品的通信結(jié)構(gòu)或協(xié)議是不同的。本文通過對(duì)常見幾種多機(jī)通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討適用于支架控制系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)。

1 多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

常見的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，有星型結(jié)構(gòu)圖 1（a）、 環(huán)形結(jié)構(gòu)圖 1（b）、 主從總線結(jié)構(gòu)圖 1（c）、 多主總線結(jié)構(gòu)圖 1（d）。

星形結(jié)構(gòu)圖1（a）采用集中式控制，所有的下位機(jī)均通過獨(dú)立的通信線路連接到中心計(jì)算機(jī)（或集線器），彼此之間沒有直接的通信線路，一旦集線器出現(xiàn)故障，則導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓，失去控制功能。因此，星型結(jié)構(gòu)在高可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，不適于支架控制系統(tǒng)。

圖1 多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

環(huán)行結(jié)構(gòu)圖1（b）實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，傳輸速度較快，但是每個(gè)下位機(jī)只能與相鄰的下位機(jī)相連，不相鄰下位機(jī)的信息傳遞必須通過中間下位機(jī)的傳遞才能實(shí)現(xiàn)，任何一個(gè)下位機(jī)出故障勢(shì)必造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中斷，另外，環(huán)形結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展和移動(dòng)都不太方便。

主從總線結(jié)構(gòu)圖1（c）只有一個(gè)上位機(jī)，其余均為下位機(jī)。上位機(jī)發(fā)送的信號(hào)可被所有下位機(jī)接收，下位機(jī)發(fā)送的信號(hào)只能由上位機(jī)接收。任何一臺(tái)從機(jī)發(fā)生故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。一旦上位機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，通常系統(tǒng)有兩臺(tái)上位機(jī)，一臺(tái)工作一臺(tái)備有，以增加系統(tǒng)的可靠性。但從機(jī)與從機(jī)之間只能通過上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)間接的信息傳遞和控制，必然影響到系統(tǒng)的響應(yīng)速度。美國JOY 公司的支架控制系統(tǒng)采用這種結(jié)構(gòu)。

多主通信總線結(jié)構(gòu)圖1（d），就是在一根通訊總線上分布著多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)下位機(jī)。系統(tǒng)中的任何節(jié)點(diǎn)可作為主控節(jié)點(diǎn)控制其他節(jié)點(diǎn)，也可以作為被控節(jié)點(diǎn)被其他節(jié)點(diǎn)控制，節(jié)點(diǎn)是主控還是被控是隨機(jī)的，比較靈活。節(jié)點(diǎn)之間直接傳遞信息，響應(yīng)速度快。系統(tǒng)中任何節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，可靠性高。強(qiáng)大的總線仲裁功能，可順利解決信號(hào)沖突的問題?？偩€的電纜數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)充。

因此，對(duì)于節(jié)點(diǎn)之間要求互控性的支架控制系統(tǒng)而言，多主總線結(jié)構(gòu)是最理想的選擇。其中，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線使用較為普遍。

2 多主通信總線在支架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

液壓支架在工作面中要求完成采煤過程中的支護(hù)頂板、收護(hù)幫板、降移升、推進(jìn)機(jī)采設(shè)備等一系列動(dòng)作，并要求液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)三機(jī)動(dòng)作相互協(xié)調(diào)。液壓支架與這些機(jī)采設(shè)備的協(xié)調(diào)關(guān)系要求有一個(gè)通信結(jié)構(gòu)可靠、合理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

根據(jù)采煤工作面運(yùn)行工況以及滿足液壓支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的相互約束關(guān)系，由CAN總線的響應(yīng)速度快、可靠性高、通信實(shí)時(shí)性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本文就CAN總線結(jié)構(gòu)的液壓支架計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

3 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)與功能

3.1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

圖2 多主總線通信結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)綜采面支架之間互控的要求，認(rèn)為支架控制系統(tǒng)采用多主總線通信結(jié)構(gòu)最合理可靠。本文即采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線結(jié)構(gòu)，原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。順槽上位機(jī)和所有下位機(jī)的串行接口均掛接在CAN總線上，地面監(jiān)控站與順槽上位機(jī)通過光纜和光端機(jī)進(jìn)行通信，每架液壓支架均由對(duì)應(yīng)的下位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和控制，構(gòu)成控制子系統(tǒng)（如圖2 虛線框所示）。順槽上位機(jī)及各下位機(jī)主要完成對(duì)來自CAN總線數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、信號(hào)的檢測(cè)反饋、數(shù)據(jù)的歷史查詢，地面監(jiān)控站主要完成工作面礦壓、支架故障信息以及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，CAN總線是各控制機(jī)互相傳遞信息的紐帶，各控制機(jī)均能作為其它控制機(jī)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)本架、鄰架、隔架控制以及成組控制，達(dá)到互控的要求。

3.2 下位機(jī)結(jié)構(gòu)原理

下位機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，是以ARM 單片機(jī)為核心，擴(kuò)展了控制放大電路，紅外接收器，位移、壓力、紅外傳感器，A/D 轉(zhuǎn)換電路，LCD 顯示器和鍵盤，構(gòu)成了一個(gè)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。CAN總線連接上位機(jī)與下位機(jī)，通過操作下位機(jī)鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)本架支架的控制，通過單片機(jī)串口向其它下位機(jī)發(fā)出控制命令，控制相應(yīng)的下位機(jī)完成預(yù)定的動(dòng)作。顯示器同步顯示工作面狀態(tài)，并及時(shí)報(bào)告故障位置，便于操作人員及時(shí)做出處理。

圖3 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.3 系統(tǒng)通信控制

CAN總線是一種典型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信總線，通信方式靈活。根據(jù)CAN總線的通信協(xié)議，以及通信所必需的一些數(shù)據(jù)要求，制定了相應(yīng)的工程報(bào)文格式，見表1，經(jīng)驗(yàn)證可以完成各控制機(jī)之間的信息傳遞和相互控制。其中，字節(jié)4 到字節(jié)11位用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)幀的實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)6、7、8為保留位，方便以后添加，用于傳輸一些檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上分析可知，四種通信結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)綜采面液壓支架的多機(jī)控制，但多主總線結(jié)構(gòu)最合理、最可靠。本文以綜采面液壓支架作為研究對(duì)象，采用單片機(jī)串口通信技術(shù)對(duì)CAN總線多機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。結(jié)果表明，多主機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)控制命令響應(yīng)迅速、可靠性高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、系統(tǒng)的可維護(hù)性好，減少了操作人員的數(shù)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率以及安全保障，適用于綜采工作面液壓支架的聯(lián)機(jī)控制。本文對(duì)研究其它液壓支架計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

表1 工程報(bào)文格式

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