基于以太網(wǎng)和CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)研究

汪佳彪，王忠賓，張　霖，2，許　靜，李付生

(1．中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州　221116;2．加州大學圣迭戈分校神經(jīng)計算研究所，美國加利福尼亞州　92093;3．中平能化集團天工機械制造有限公司，河南平頂山　467000)

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基于以太網(wǎng)和CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)研究

汪佳彪1，王忠賓1，張霖1，2，許靜1，李付生3

(1．中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州221116;2．加州大學圣迭戈分校神經(jīng)計算研究所，美國加利福尼亞州92093;3．中平能化集團天工機械制造有限公司，河南平頂山467000)

摘要:針對目前綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的實時性差、可靠性低的問題，提出一種基于以太網(wǎng)和CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)，構(gòu)建了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，實現(xiàn)了總體程序。根據(jù)實際的工況對系統(tǒng)進行改進:分析了液壓支架遠程監(jiān)控的工作特性，采用基于改進時分復用算法的TCP/IP通訊協(xié)議，從理論計算了工作面所有支架發(fā)送完成一次傳感數(shù)據(jù)時間為260 ms，達到了遠程監(jiān)控實時性的要求;分析了液壓支架鄰架控制，采用基于動態(tài)優(yōu)先級提升算法的CAN通訊協(xié)議，減少因總線碰撞而造成的系統(tǒng)實時性降低;控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)與CAN總線可冗余通信，以提高系統(tǒng)通信可靠性。通過實驗驗證了支架控制器的通訊功能以及2種通訊方式的可替換性，證明了該系統(tǒng)具有較高的實時性和可靠性。

關(guān)鍵詞:電液控制;液壓支架;以太網(wǎng);CAN總線

汪佳彪，王忠賓，張霖，等．基于以太網(wǎng)和CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)研究［J］．煤炭學報，2016，41(6):1575－1581．doi: 10．13225/j．cnki．jccs．2016．0504

Wang Jiabiao，Wang Zhongbin，Zhang Lin，et al．Research on electro-hydraulic control system of hydraulic support based on Ethernet and CAN-Bus［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1575－1581．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0504

液壓支架是綜采工作面“三機”配套設(shè)備中保證井下工作面安全的重要設(shè)備［1－2］。液壓支架的核心為支架電液控制系統(tǒng)，電液控制系統(tǒng)性能好壞是制約液壓支架可靠性和實用性的關(guān)鍵部分［3－5］。

近年來，在國際市場上占據(jù)領(lǐng)先地位的液壓支架電液控制系統(tǒng)主要有德國DBT公司開發(fā)的PM4電液控制系統(tǒng)、MARCO公司開發(fā)的PM31和PM32電液控制系統(tǒng)以及美國JOY公司研制的RS20型電液控制系統(tǒng)［6－7］。國內(nèi)支架電液控制系統(tǒng)的生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)有北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，四川神坤裝備有限公司，廣州日濱科技發(fā)展有限公司，鄭州煤礦機械集團股份有限公司，其中天瑪公司占國產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)市場銷量的70%［8］。然而進口支架電液控制系統(tǒng)存在價格高、供貨不及時、通訊協(xié)議不公開、升級困難，不具備自動控制和自診斷功能等問題［9－10］;國產(chǎn)支架電液控制系統(tǒng)起步晚，功能少，穩(wěn)定性不好。這嚴重阻礙了我國煤礦工作面現(xiàn)代化的發(fā)展。

隨著煤礦綜采工作面不斷朝著智能化、無人化方向發(fā)展。支架電液控制系統(tǒng)不僅需要監(jiān)測支架狀態(tài)、成組控制、巷道控制，更應(yīng)實現(xiàn)地面控制中心對支架進行直接交互通訊、遠程升級維護等功能。這就需要支架與上位機、支架與支架之間的通訊具有更高的速率、穩(wěn)定性和可靠性。因此本文采用以太網(wǎng)實現(xiàn)支架與上位機進行通訊，并根據(jù)實際工況對時分復用算法進行修改，以減少總線的競爭，提高上位機對處理緊急信息的響應(yīng)速度。采用CAN總線實現(xiàn)支架間的通訊，采用動態(tài)優(yōu)先級提升的方法，保證通訊的實時性和穩(wěn)定性。且兩種通訊方式可相互替代，增加了支架電液控制系統(tǒng)的冗余性，保證煤礦工作面的安全高效生產(chǎn)。

1　電液控制系統(tǒng)總體設(shè)計

液壓支架作為綜采工作面的安全保障，為采煤機割煤提供安全的工作空間。液壓支架電液控制系統(tǒng)具有本架控制、鄰架控制、成組控制、自動跟機、遠程監(jiān)控等功能［11－12］。

1.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

液壓支架控制系統(tǒng)主要由支架控制器、操作面板、電液換向閥、位移傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器、紅外線傳感器、本安電源等硬件組成，硬件連接如圖1所示。支架控制器是電液控制系統(tǒng)的核心部分，負責處理、發(fā)送和接收操作面板的指令、傳感器信息、遠程控制信息、鄰架操作信息等;操作面板是電液控制系統(tǒng)的顯示和操作部分，負責顯示支架的信息以及控制支架進行本架、鄰架以及成組的操作;壓力傳感器通過測量立柱的壓力，用以監(jiān)測支架的支護狀態(tài);位移傳感器通過測量支架推移油缸的位移，監(jiān)測支架的推移情況;紅外線接收器通過接收采煤機發(fā)射的紅外信號，判斷采煤機的當前運行位置，實現(xiàn)支架自動跟機操作;傾角傳感器通過實時檢測支架的底座、后連桿、掩護梁、頂梁的傾角，從而得到支架的當前姿態(tài)［13－16］。支架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　支架控制系統(tǒng)硬件連接Fig.1　Hardware connection of electro-hydraulic control system

圖2　支架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of electro-hydraulic control system

1.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

支架電液控制系統(tǒng)具有本地控制、遠程監(jiān)控兩種模式。本地控制通過操作面板輸入控制命令，進行本架控制、鄰架控制、成組控制、自動跟機等操作。遠程監(jiān)控由支架控制器通過以太網(wǎng)接口實時發(fā)送傳感器的數(shù)據(jù)至地面控制中心，并且接收地面控制中心的操作命令進行動作。

操作面板的功能:通過識別按鍵，向支架控制器發(fā)送對應(yīng)的操作命令并在顯示器上顯示，程序流程如圖3(a)所示;支架控制器的功能:通過RS485總線、CAN總線、以太網(wǎng)接收和發(fā)送傳感器信息及控制命令，程序流程如圖3(b)所示。

圖3 程序流程Fig.3　Program flow chart

2　通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1以太網(wǎng)通信設(shè)計

設(shè)計的液壓支架控制器通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)支架與地面控制中心的實時遠程監(jiān)控。此外當支架控制器的CAN總線出現(xiàn)故障時，可將鄰架控制信息通過以太網(wǎng)發(fā)送到被控架上，從而提高支架操作的可靠性。編寫 TCP/IP通訊程序，通過循環(huán)執(zhí)行MonitorEventLoop()函數(shù)實現(xiàn)，程序的控制流程如圖4所示。

圖4　以太網(wǎng)程序流程Fig.4　Program flow chart of Ethernet

W5100為一款高性價比的多功能網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它可以在沒有操作系統(tǒng)的單片機中實現(xiàn)Internet連接，且其 TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)成熟、穩(wěn)定、可靠，W5100內(nèi)部還集成有可用于數(shù)據(jù)傳輸緩存的16 kB存儲器。因此采用其作為以太網(wǎng)的控制芯片，并通過SPI總線實現(xiàn)與STM32F103ZET6芯片的連接，可實現(xiàn)10 Mbps的傳輸速度。

2.2TCP/IP協(xié)議設(shè)計

支架控制器通過以太網(wǎng)發(fā)送給地面控制中心的有兩類信息，一類是周期性信息，為各類傳感器數(shù)據(jù);另一類是非周期性信息，包括支架的動作狀態(tài)和故障信息。對于周期性的數(shù)據(jù)，只要能在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)送并被上位機接收到即可;對于支架的動作以及故障這類非周期性信息，希望它能盡快的被地面控制中心接收。

根據(jù)井下支架的布置以及標準以太網(wǎng)雙絞線傳輸距離的限制，以20臺支架為單位通過雙絞線連接到一臺交換機中，然后將交換機的信號通過光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光纖信號后通過光纖連接到光纖交換機中，最后通過光纖將信號傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。各支架控制器及上位機組成一個星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其硬件連接如圖5所示。

圖5　以太網(wǎng)硬件連接Fig.5　Hardware connection of Ethernet

使用的以太網(wǎng)屬于標準以太網(wǎng)，具有10 Mbps的傳輸速度，使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)的訪問控制方法。因此當工作面的支架同時向地面控制中心發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)時，則會導致總線出現(xiàn)碰撞競爭，由于這些周期性數(shù)據(jù)是連續(xù)發(fā)送的，因此總線會一直出現(xiàn)碰撞競爭的現(xiàn)象，不僅加重總線的負擔，還會導致有些數(shù)據(jù)一直無法傳送，使系統(tǒng)的實時性降低，因此提出使用時分復用的方法對協(xié)議進行改進［17－18］。傳感器的數(shù)據(jù)屬于周期性數(shù)據(jù)，假設(shè)傳感器數(shù)據(jù)量為100個字節(jié)，工作面有200臺支架，TCP/IP的通訊速度為10 Mbps，那么每個傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的時間約為0.8 ms，所有支架發(fā)送完一次傳感器數(shù)據(jù)時間為160 ms，完全能滿足工作面實時性的要求，因此對于周期性信息采用時分復用的方法能消除總線碰撞的現(xiàn)象，提高工作面的實時性;但支架動作信息、故障信息等這類非周期性數(shù)據(jù)不能及時上傳。因此僅使用普通的時分復用方法就會出現(xiàn)最后的支架不能及時發(fā)送非周期性數(shù)據(jù)，最遲需要159.2 ms后才能發(fā)送，這并不符合控制系統(tǒng)實時性的要求，因此對時分復用方法進行改進，考慮到非周期性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比較少，因此在每次發(fā)送周期信息之前設(shè)有0.5 ms的時間為非周期信息的窗口期，用于各支架發(fā)送動作信息、故障信息等非實時性數(shù)據(jù)，這樣非周期性信息最遲只需1.3 ms后就可發(fā)送。采用這種方法所有的支架發(fā)送完成一次傳感器數(shù)據(jù)時間為260 ms，完全滿足系統(tǒng)實時性要求。具體流程如圖6所示。

圖6　改進的時分復用方法Fig.6　Improve of TDM algorithm

2.3CAN總線通信設(shè)計

支架控制器通過CAN總線實現(xiàn)支架的本地操作，具體操作內(nèi)容包括:鄰架控制、成組控制等功能，此外當控制器的以太網(wǎng)傳輸出現(xiàn)故障時，可以由CAN總線發(fā)送遠程控制命令，從而提高支架監(jiān)控的可靠性。編寫CAN通訊程序，通過循環(huán)執(zhí)行ControlEventParser()函數(shù)實現(xiàn)，程序流程如圖7所示。

圖7CAN總線程序流程Fig.7　Program flow chart of CAN-Bus

支架控制器 STM32F103ZET6芯片集成兩路CAN總線接口和CAN通訊協(xié)議，因此不需要外接CAN控制器，只需要設(shè)計外圍電路即可進行通訊，為了保證CAN總線在井下通訊時防止電磁干擾造車通訊異常等問題，使用ADM3053對CAN總線的通訊進行隔離保護。

2.4CAN協(xié)議設(shè)計

設(shè)計的液壓支架電液控制系統(tǒng)中由CAN總線發(fā)送的控制命令有鄰架控制、成組控制、急停閉鎖控制以及遠程控制。遠程控制是指當支架電液控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)總線出現(xiàn)問題時，由別的支架控制器通過CAN總線發(fā)送遠程控制命令。這些命令都是非周期性命令，其優(yōu)先級高低依次為急停閉鎖控制、鄰架控制、成組控制以及遠程控制。

CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，采用CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，即波監(jiān)聽多路訪問/避免碰撞(CSMA/CA)的介質(zhì)訪問控制方式，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信［19－20］。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。如果同一時間內(nèi)工作面上有多個工人同時對支架進行鄰架以及成組操作，會出現(xiàn)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送控制信息，造成總線碰撞擁堵。一旦總線中的控制命令出現(xiàn)碰撞，就按控制信息的優(yōu)先級高低進行排序發(fā)送，優(yōu)先級低的信息會不斷延遲發(fā)送，降低系統(tǒng)的實時性。

采煤機運行后方的液壓支架需要其盡快的進行采空區(qū)支護以保證工作面的安全，因此希望其有較高的優(yōu)先級，距離采煤機越遠其優(yōu)先級越高，而在采煤機運行前方的支架則是需要距離采煤機越近優(yōu)先級越高，因此對CAN協(xié)議中的11位優(yōu)先級標識符重新設(shè)計，將其分成兩部分，第1部分表示控制指令的優(yōu)先級，另一部分根據(jù)采煤機運行方向來確定支架節(jié)點的編號，沿著采煤運行的方向?qū)χЪ軓?開始編號。但采用此方法，優(yōu)先級最低的信息在總線的競爭中仍然會不斷的延后，降低系統(tǒng)的實時性。因此引入動態(tài)優(yōu)先級提升的算法［21－22］，根據(jù)節(jié)點信息仲裁失敗的次數(shù)動態(tài)提升其優(yōu)先級。標識符見表1。

表1CAN協(xié)議標識符Table 1　Tag of CAN protocol

為保證工作面的安全，急停閉鎖控制指令的優(yōu)先級是最高的，因此在優(yōu)先級提升的過程中，其余指令優(yōu)先級不能超過急停閉鎖的優(yōu)先級。設(shè)計對應(yīng)的提升算法，0為最高的優(yōu)先級，7為最低的優(yōu)先級，若當前指令的初始優(yōu)先級為a，其碰撞的失敗次數(shù)為n，則其提升的優(yōu)先級為

其中a必須大于等于1。若控制信息在預(yù)定時間內(nèi)仍未發(fā)送成功，則直接提升其優(yōu)先級為1?？刂屏鞒倘鐖D8所示。

圖8　動態(tài)優(yōu)先級提升算法流程Fig.8　Program flow chart of priority promotion dynamic scheduling algorithm

3　通訊實驗

3.1TCP通訊實驗

為驗證設(shè)計的支架電液控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊功能是否符合實際工況需求，設(shè)計如下實驗，實驗1:支架控制器定時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù);實驗2:上位機向支架控制器發(fā)送控制命令。為驗證上述實驗，控制面板通過RS485串口與支架控制器進行連接，支架控制器通過以太網(wǎng)接口與無線路由器連接，無線路由器通過無線網(wǎng)與上位機連接，設(shè)置上位機的IP地址為192.168.1.118，端口為8087;支架控制器的IP地址為192.168.1.30，端口為49166。硬件連接如圖9所示。

圖9　TCP通訊實驗硬件連接Fig.9　Hardware connection of TCP communication experiment

實驗1通過編寫程序使支架控制器定時向上位機發(fā)送代碼，實驗結(jié)果如圖10(a)所示;實驗2通過上位機向支架控制器發(fā)送控制命令，支架控制器在接收到控制命令后在控制面板顯示對應(yīng)的信息，實驗結(jié)果如圖10(b)所示。

圖10　TCP通訊實驗Fig.10　Experiment of TCP communication

實驗結(jié)果表明，上位機能正常的對支架控制器進行遠程監(jiān)控，滿足設(shè)計要求。

3.2CAN總線通訊實驗

為驗證設(shè)計的支架電液控制系統(tǒng)的CAN總線通訊功能是否符合實際工況需求，設(shè)計如下實驗，實驗1:支架控制器1通過CAN總線控制支架控制器2，并將控制結(jié)果在液晶顯示器上顯示;實驗2:上位機通過支架控制器1來控制支架控制器2。為驗證上述實驗，控制面板1，2通過RS485串口分別與支架控制器1，2連接，支架控制器1，2通過CAN總線端口相互連接，另外，支架控制器1通過以太網(wǎng)與無線路由器連接，路由器通過無線網(wǎng)與上位機連接，硬件連接如圖11所示。

圖11CAN總線實驗硬件連接Fig.11　Hardware connection of CAN-Bus experiment

實驗1，通過控制面板1向支架控制器2發(fā)送控制命令并在控制面板2上顯示對應(yīng)的控制信息，實驗結(jié)果如圖12(a)所示。實驗2上位機通過支架控制器1向支架控制器2發(fā)送遠程控制指令并顯示，實驗結(jié)果如圖12(b)所示。

圖12CAN總線通訊實驗Fig.12　Experiment of CAN-Bus communication

實驗結(jié)果表明，支架控制器通過CAN總線能準確控制鄰架，且可通過別的支架控制器通過CAN總線進行遠程操控，確保支架控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4　總　　結(jié)

(1)支架控制器能夠獨立、互不干擾、及時的完成各項基本的通訊以及操作功能。

(2)支架控制器的以太網(wǎng)通訊以及CAN總線通訊能夠相互替代，提高了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

(3)通過使用以太網(wǎng)作為支架與上位機的通訊方式，使得工作面所有支架完成一次數(shù)據(jù)上傳至地面控制中心的時間為260 ms，大大提高了系統(tǒng)的實時性。

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中圖分類號:TD655;TD355

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1575－07

收稿日期:2016－04－22修回日期:2016－05－05責任編輯:許書閣

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2014CB046300);國家自然科學基金聯(lián)合基金資助項目(U1510117)

作者簡介:汪佳彪(1992—)，男，浙江紹興人，碩士研究生。E－mail:wangjiabiao_cumt@163．com。通訊作者:王忠賓(1972—)，男，安徽蕭縣人，教授，博士生導師。Tel:0516－83590758，E－mail:wangzbpaper@126．com

Research on electro-hydraulic control system of hydraulic support based on Ethernet and CAN-Bus

WANG Jia-biao1，WANG Zhong-bin1，ZHANG Lin1，2，XU Jing1，LI Fu-sheng3
(1．School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou221116，China;2．Institute for Neural Computation，University of California，San Diego(UCSD)，California92093，USA;3．Zhongping Energy Chemical Group Tiangong Machinery Manufacturing Co．，Ltd．，Pingdingshan 467000，China)

Abstract:Based on the low reliability and real-time performance of current hydraulic support remote control system，a novel control system was proposed to combine Ethernet and CAN-bus，the system architecture was built and the program was implemented．According to the actual working condition，some improvements were achieved．The characteristics of hydraulic support control system was analyzed，and the TCP/IP communication protocol based on improved TDM was tested for estimating the theoretical loop time(260 ms)，which satisfied the communication requirement．The local control characteristics of hydraulic support were analyzed，the CAN-Bus communication based on dynamic priority algorithm was designed for reducing communication conflicts and low reliability．By combining TCP/IP and CAN-Bus，the redundant-ability and reliability were improved．Finally，the experiment was conducted to verify the communication function and prove the high reliability and real-time performance of hydraulic support control system．

Key words:electro-hydraulic control system;hydraulic support;Ethernet;CAN-bus