基于CAN 總線(xiàn)的液壓支架電液控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

王吉松

摘要：煤礦井下綜采工作面液壓支架的姿態(tài)及推移控制是目前我國(guó)實(shí)現(xiàn)無(wú)人開(kāi)采的主要瓶頸之一。電液控制是目前井下液壓支架控制的主要方式，作為對(duì)液壓支架姿態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，電液控制系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性及可靠性是核心。本文分析了國(guó)內(nèi)煤礦井下使用的支架電液控系統(tǒng)存在的諸多不足之處，結(jié)合CAN總線(xiàn)技術(shù)支持多主總線(xiàn)及分布式控制等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線(xiàn)技術(shù)通信的煤礦井下液壓支架控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)容包括以支架控制器為單元的CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)提高了液壓支架控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為國(guó)內(nèi)液壓支架電液控制系統(tǒng)的研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓支架； CAN總線(xiàn)； 支架控制器；

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）30-0197-03

國(guó)內(nèi)煤礦行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入寒冬季節(jié)，各大型煤礦公司為減少開(kāi)采成本，正醞釀著縮減井下人員，這無(wú)疑將井下無(wú)人或者少人開(kāi)采技術(shù)上升一個(gè)需求高度。作為綜采工作面的支護(hù)設(shè)備，液壓支架的自動(dòng)控制是井下少人或者無(wú)人開(kāi)采的技術(shù)難點(diǎn)之一。目前進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的液壓支架控制一律采用電液控制方式，主要有3種：德國(guó)MARCO公司的PM31型、德國(guó)DBT公司的PM4型及美國(guó)JOY公司的RS20型[1]；PM31系統(tǒng)各支架控制器之間的通信采用BIDI Bus總線(xiàn)技術(shù)，而整個(gè)工作面之間的通信則采用T Bus總線(xiàn)技術(shù)；PM4系統(tǒng)各支架間采用BIDI Bus互聯(lián)成綜采面網(wǎng)絡(luò)；RS20系統(tǒng)與上述兩種不同，架間通信采用19芯電纜連接，其中有8芯電纜用于系統(tǒng)間通信和急停閉鎖功能[2]。PM4和PM31雖然采用的是總線(xiàn)協(xié)議，但是屬于私有、非標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議，形成的技術(shù)思路比較早，實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜，沒(méi)有制定可靠的通訊協(xié)議，一切后期穩(wěn)定措施都要靠用戶(hù)自己編程實(shí)現(xiàn)，不但增大了開(kāi)發(fā)難度還需要消耗較多的系統(tǒng)資源。綜采工作面對(duì)支架的控制可靠性及穩(wěn)定性要求很高，私有的非標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議不適宜用于控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通信，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)則可以很好地解決上述問(wèn)題。

CAN總線(xiàn)技術(shù)作為一種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，大量應(yīng)用于煤礦井下的控制系統(tǒng)之中，其優(yōu)點(diǎn)是接在總線(xiàn)上的各節(jié)點(diǎn)不分主從，各節(jié)點(diǎn)都可以向總線(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)；采用獨(dú)特的非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)，預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級(jí)，當(dāng)各節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的主動(dòng)退出發(fā)送，優(yōu)先級(jí)高的優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，避免信息阻塞，提高通訊可靠性。另外，CAN總線(xiàn)還具有糾錯(cuò)功能，能夠克服井下變頻器等導(dǎo)致的強(qiáng)烈電磁干擾影響[4]，而且傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)10Km[3]；因此，采用CAN總線(xiàn)協(xié)議通信，從穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和傳輸距離上都滿(mǎn)足礦下綜采工作面的要求。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)及支架控制器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)支架的動(dòng)作控制及傳感器數(shù)據(jù)的采集，目前液壓支架電液控制系統(tǒng)主要分為3種結(jié)構(gòu)形式，第一種由支架控制器、電磁驅(qū)動(dòng)器、傳感器等組成；第二種由支架控制器、人機(jī)界面、驅(qū)動(dòng)器和傳感器等組成；第三種由支架控制器和傳感器組成；本文論述的設(shè)計(jì)是基于第一種結(jié)構(gòu)形式支架電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控、井下主支架控制器、從支架控制器、電磁驅(qū)動(dòng)器及各類(lèi)傳感器組成。其組成框圖如圖1所示。

從支架控制器通過(guò)外部按鍵或者傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)出控制命令到驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到對(duì)支架進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作控制，主支架控制器監(jiān)測(cè)各個(gè)從支架控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)往CAN總線(xiàn)的傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過(guò)以太網(wǎng)與地面集控室實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這樣可以方便實(shí)現(xiàn)地面上對(duì)井下液壓支架的監(jiān)測(cè)和控制。

1.2 支架控制器CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

支架控制器在CAN總線(xiàn)上屬于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，支架控制器分為主、從控制器兩種，主支架控制器主要用于CAN數(shù)據(jù)的采集并通過(guò)以太網(wǎng)上傳地面集控中心，在CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上與從支架控制器并無(wú)區(qū)別，因此本文以從支架控制器的CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)作為代表。本文選擇帶有CAN控制器的PIC18F2480微處理器作為CAN智能節(jié)點(diǎn)主控芯片，該芯片自帶1路CAN接口，自帶模擬量輸入通道，不需要外圍電路設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，既簡(jiǎn)化了電路又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。支架控制器節(jié)點(diǎn)CAN通信硬件原理圖如圖2所示。

微控制器（D1）與CAN收發(fā)器（D3）之間采用雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201ARWZ （D2），有效保證微控制器與CAN收發(fā)器之間的信號(hào)及電源隔離，保證煤礦系統(tǒng)的特殊安全要求；同時(shí)，在CAN收發(fā)器的輸出端加一個(gè)磁珠（L1），以提高CAN信號(hào)的抗干擾能力；CAN收發(fā)器采用飛利浦公司的PCA82C250，根據(jù)芯片手冊(cè)選擇Rs引腳與地之間的電阻，確定合適的CAN收發(fā)器工作方式，本系統(tǒng)采用差分連接方式，采用雙絞線(xiàn)傳輸，有效控制射頻干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，CAN節(jié)點(diǎn)輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)120歐姆終端電阻，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可以減少信號(hào)反射干擾。輸出端加入TVS管（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）可以防止外部尖峰脈沖對(duì)CAN收發(fā)器的損害，保證系統(tǒng)通信穩(wěn)定。

2 支架控制器CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層報(bào)文設(shè)計(jì)

CAN總線(xiàn)協(xié)議有三層：底層物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。協(xié)議一般規(guī)定物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層根據(jù)用戶(hù)自行設(shè)定。根據(jù)煤礦井下支架操作要求，應(yīng)用層需要包含以下信息：

1） 支架控制器發(fā)出的命令信息：包括成組數(shù)量、成組操作命令及單架操作等信息。

2） 傳感器傳回的支架狀態(tài)信息：液壓支架壓力、液壓支架推溜距離、采煤機(jī)位置信息等。

3） 急停、閉鎖緊急命令信息：緊急情況下主控支架控制器或從支架控制器發(fā)出的急停、閉鎖命令。

應(yīng)用層傳輸數(shù)據(jù)分為8種信息功能標(biāo)識(shí)（ID10～I(xiàn)D8），通過(guò)不同的信息功能標(biāo)識(shí)賦予不同的優(yōu)先權(quán)。CAN報(bào)文數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

表1 CAN報(bào)文數(shù)據(jù)幀格式

[ID10 ～I(xiàn)D8＼&ID7～I(xiàn)D0＼&RTR＼&IDE＼&DLC3～DLC0＼&數(shù)據(jù)區(qū)域＼&CRC＼&ACK＼&功能標(biāo)識(shí)＼&目的地址＼&0＼&0＼&數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＼&數(shù)據(jù)＼&校驗(yàn)碼＼&應(yīng)答信號(hào)＼&]

功能標(biāo)識(shí)將應(yīng)用層傳輸數(shù)據(jù)分為8個(gè)優(yōu)先級(jí)，目前使用其中的三個(gè)優(yōu)先級(jí)，急停信號(hào)屬于最高優(yōu)先級(jí)、控制數(shù)據(jù)是次優(yōu)先級(jí)、傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最低，這樣當(dāng)同時(shí)有信號(hào)傳輸時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的最先發(fā)送。ID7～I(xiàn)D0為數(shù)據(jù)目的地址，用于指示數(shù)據(jù)的發(fā)送目的地。RTR為遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位，IDE為擴(kuò)展位標(biāo)識(shí)符，由于本系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，所以默認(rèn)為0。數(shù)據(jù)區(qū)域存放源節(jié)點(diǎn)地址（1字節(jié)）、急停閉鎖信息（1字節(jié)）、支架控制信息（1字節(jié)）、壓力傳感器數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、行程傳感器數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、紅外傳感器數(shù)據(jù)（1字節(jié)）。因此，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，DLC3～DLC0為1000。

將急停閉鎖信息、支架控制信息、傳感器回傳信息賦予不同的優(yōu)先級(jí)、達(dá)到控制的實(shí)時(shí)性和可靠性。這樣的設(shè)計(jì)充分利用了CAN總線(xiàn)非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)和節(jié)點(diǎn)ID優(yōu)先權(quán)，實(shí)現(xiàn)不同信息命令的優(yōu)先級(jí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全傳輸可靠的要求。

2.2 CAN 總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信子程序設(shè)計(jì)

為了便于軟件程序的整體移植和修改，CAN通信軟件設(shè)計(jì)采用子程序模塊化設(shè)計(jì)，包括CAN初始化模塊、CAN發(fā)送模塊、CAN接收模塊以及錯(cuò)誤處理模塊。

CAN初始化模塊主要是對(duì)CAN控制器中的寄存器寫(xiě)入控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括通信速率等，CAN初始化模塊確定CAN控制器的工作方式。其步驟如下：

1） 將寄存器TNIT和CCE位置位；

2） 配置位寄存器確定通信速率；

3） 配置全域的屏蔽寄存器確定濾波方式。

CAN發(fā)送模塊只需要將發(fā)送的信息幀放到CAN發(fā)送緩沖區(qū)，由軟件啟動(dòng)發(fā)送命令，CAN控制器會(huì)自動(dòng)地將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線(xiàn)上，目的地節(jié)點(diǎn)收到信息后做出應(yīng)答，發(fā)送模塊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，應(yīng)做出錯(cuò)誤處理報(bào)警。因篇幅有限，錯(cuò)誤處理模塊不做分析。CAN發(fā)送模塊流程圖如圖3所示。

CAN數(shù)據(jù)接收時(shí)CAN控制器會(huì)自動(dòng)地將總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)，因此，接收程序只需讀取接收緩沖區(qū)信息幀即可。接收程序可以采用中斷或者查詢(xún)的方式，接收完數(shù)據(jù)后將標(biāo)志位置位，并做出應(yīng)答，主程序通過(guò)標(biāo)志位和數(shù)據(jù)的內(nèi)容調(diào)用其他處理模塊程序完成對(duì)應(yīng)的功能。CAN接收模塊流程圖如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)幾種液壓支架電液控制系統(tǒng)架間通信方式存在的不足，考慮到井下工作面的分布式控制要求，結(jié)合CAN總線(xiàn)技術(shù)支持多主和分布式通信的特點(diǎn)，研究了一種基于CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的液壓支架控制系統(tǒng)，并對(duì)支架控制器CAN節(jié)點(diǎn)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；同時(shí)，根據(jù)支架控制要求，對(duì)CAN總線(xiàn)協(xié)議的應(yīng)用層報(bào)文進(jìn)行了分類(lèi)和設(shè)計(jì)，最后簡(jiǎn)單講解了CAN協(xié)議通信的初始化、發(fā)送和接收模塊的軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、能夠達(dá)到煤礦實(shí)時(shí)、可靠的需求。

參考文獻(xiàn)

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