煤礦采掘設(shè)備CAN總線電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用

唐會(huì)成

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及自動(dòng)化技術(shù)的不斷提升，對能源的要求與日俱增。煤炭作為能源，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。因此，煤礦采掘設(shè)備的自動(dòng)化越來越受到人們的重視。電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是煤礦采掘設(shè)備的主要組成部分。電液控制系統(tǒng)對電氣和液壓進(jìn)行綜合控制，其技術(shù)的先進(jìn)性將有助于提高設(shè)備自動(dòng)化程度、增加工作效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度［1］。

控制器局域網(wǎng) (controller area network，CAN)總線是德國Bosch公司最先提出的、為解決汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的一種現(xiàn)場總線。其具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)及良好的性能，已經(jīng)在機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文從采掘設(shè)備實(shí)際工況需求出發(fā)，將CAN總線的分布式控制系統(tǒng)與電液控制相結(jié)合，并應(yīng)用到采掘設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平［2］。

1 CAN總線技術(shù)及其特點(diǎn)

1．1 CAN總線技術(shù)

CAN是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International standards organization，ISO)的一種串行總線通信協(xié)議。CAN總線是一種支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，被稱為工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)、可靠數(shù)據(jù)傳輸。其被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備。1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具-數(shù)字信息交換-高速通信CAN國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898，為CAN標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。CAN總線是當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一［3］。CAN控制器通過2根線(CAN-H和CAN-L)構(gòu)成通信總線。CAN總線的信號(hào)是由2根線之間的差分電壓決定的。當(dāng)CAN-H為3．5 V、CAN-L為1．5 V、差分電壓為2 V時(shí)，表示顯性邏輯(0);當(dāng)CAN-H和CAN-L為2．5 V、差分電壓為0 V時(shí)，表示隱性邏輯(1)。

1．2 CAN總線特點(diǎn)

CAN協(xié)議與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)的最大不同在于其對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)可同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)，確保了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;通信數(shù)據(jù)短幀結(jié)構(gòu)，每幀包括幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)段、方管(acknowledgement，ACK)段、幀結(jié)束。其中:數(shù)據(jù)段為8個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù);CRC段的檢驗(yàn)可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能;短幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，降低了受干擾的概率，提高了通信的可靠性。

CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)。基于非破壞性仲裁技術(shù)，CAN總線上的任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主次，實(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)之間的自由通信。當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突;節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收相同的數(shù)據(jù)。這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。此外，CAN總線節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可以自動(dòng)關(guān)閉總線并從中脫離，以保護(hù)網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的通信不受干擾;同時(shí)，總線節(jié)點(diǎn)可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文。

2 電液比例控制技術(shù)

2．1 液壓系統(tǒng)控制方式

煤礦井下工作環(huán)境惡劣以及對電氣元件安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，制約了采掘設(shè)備自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著國家“減員增效”政策及“數(shù)字化礦井”概念的提出，我國煤礦井下采掘設(shè)備及其相關(guān)控制器件得到迅速發(fā)展。采掘設(shè)備液壓控制系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)手動(dòng)控制、液壓先導(dǎo)控制、電液開關(guān)控制、電液比例控制等發(fā)展階段。純液壓控制通過操作設(shè)備手動(dòng)操作閥來執(zhí)行相應(yīng)的功能，如油缸伸縮、驅(qū)動(dòng)行走馬達(dá)前進(jìn)后退等。由于每一個(gè)操作閥對應(yīng)一個(gè)功能難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程的控制，且需要本地操作，增加了操作人員的風(fēng)險(xiǎn)。電液比例控制是集機(jī)械、液壓、微電子、控制器、遠(yuǎn)程遙控、信息網(wǎng)絡(luò)為一體的綜合電氣自動(dòng)化控制。電液比例控制技術(shù)的性能介于伺服控制和開關(guān)控制之間。相對于伺服閥，電液比例閥具有成本低、對油液污染不敏感、抗污染能力強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，而電液開關(guān)閥控制精度低、不能調(diào)節(jié)，難以滿足高質(zhì)量控制要求。電液比例技術(shù)融合了電氣控制技術(shù)和微電子技術(shù)在信號(hào)檢測、放大、處理和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，結(jié)合分布式通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)遙控操作和按復(fù)雜程序動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使之在煤礦采掘設(shè)備自動(dòng)化控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［4］。

2．2 電液比例控制原理

電液比例控制原理是:控制器輸出電流控制信號(hào)后，比例閥內(nèi)的電磁鐵會(huì)產(chǎn)生與電流成比例的電磁推力;利用電磁推力推動(dòng)閥芯，閥口開啟行程與電磁力成正比;通過閥口開啟的大小控制液壓系統(tǒng)壓力和流量;如果控制器電流信號(hào)按比例或一定程序變化，則比例電磁閥的閥口也隨之變化［5］。比例閥電液控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 比例閥電液控制系統(tǒng)框圖Fig．1 Electrohydraulic control system of proportional valve

控制器發(fā)出控制信號(hào)e，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器放大處理脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)電壓信號(hào)U;U流入電液比例閥的比例電磁鐵，產(chǎn)生電流I;I按比例轉(zhuǎn)換成電磁力F;F作用在液壓閥的閥芯上產(chǎn)生推力使之移動(dòng)，從而控制閥芯開口、方向和大小，產(chǎn)生不同的流量、壓力;通過執(zhí)行元件 (液壓缸、液壓馬達(dá))，使負(fù)載獲得力F與速度v。

2．3 電液比例控制的主要優(yōu)點(diǎn)

電液比例控制主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

①操作方便，容易實(shí)現(xiàn)遙控。

②自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)編程控制。

③工作平穩(wěn)，控制精度較高。

④結(jié)構(gòu)簡單，使用元件較小，對污染不敏感。

⑤系統(tǒng)的節(jié)能效果好。

3 CAN總線電液控制系統(tǒng)

煤礦井下采掘設(shè)備電氣控制系統(tǒng)是采掘設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心，而電液比例控制技術(shù)是提高煤礦井下采掘設(shè)備自動(dòng)化水平的必要手段。采掘設(shè)備的電液控制系統(tǒng)可以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。通過遠(yuǎn)程遙控操作，可改善工人生產(chǎn)環(huán)境，確保煤礦安全生產(chǎn)。系統(tǒng)以CAN通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以主控制器為核心，結(jié)合PWM控制器、遙控器及人機(jī)操作界面，綜合運(yùn)用機(jī)械、液壓、電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以構(gòu)建煤礦井下采掘設(shè)備綜合電液控制系統(tǒng)［6］。電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of electrohydraulic control system

3．1 主控單元

主控單元是采掘設(shè)備控制系統(tǒng)的核心，其主要功能是對各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、計(jì)算，同時(shí)調(diào)節(jié)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與各分布式單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并通過復(fù)合邏輯控制實(shí)現(xiàn)CAN總線各節(jié)點(diǎn)的信息共享及CAN總線網(wǎng)絡(luò)所有單元的協(xié)同工作。此外，主控單元還控制采掘設(shè)備的截割電機(jī)、運(yùn)輸電機(jī)、油泵電機(jī)啟動(dòng)、停止，并通過綜合保護(hù)器對電機(jī)進(jìn)行過熱、過載、缺相保護(hù)。通過連接聲光報(bào)警器，在啟動(dòng)前對采掘設(shè)備各電機(jī)進(jìn)行預(yù)警，告知周圍人員設(shè)備即將運(yùn)行，以提高設(shè)備使用的安全性。通過控制照明燈，以及油溫、油位傳感器，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

主控單元主要由煤礦用隔爆殼體、控制變壓器、電流傳感器、電壓傳感器、斷路器、接觸器、開關(guān)電源、綜合保護(hù)器、嵌入式控制器等組成。嵌入式控制器為CX8050。其既可作為CANopen主站，也可作為單純的CAN主站。另有一個(gè)10/100 Mbit/s以太網(wǎng)接口，可用于系統(tǒng)接入煤礦井下以太網(wǎng)，將系統(tǒng)信息上傳到地面監(jiān)控室。CAN總線隔離中繼器YHCB6，通過總線隔離器實(shí)現(xiàn)總線網(wǎng)絡(luò)分布式節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。當(dāng)某段總線出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響總線的其他節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用該模塊將單路的CAN總線轉(zhuǎn)換為多路的CAN總線，具有極強(qiáng)的總線抗干擾功能。

3．2 分布式單元

分布式單元包括PWM控制器。該單元采用EPEC2024控制器。該控制器在高震動(dòng)、大溫度變化和潮濕等條件下仍能正常、可靠運(yùn)行。該控制器具有體積小、性能高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地面各種工程機(jī)械。通過編程軟件，可配置24路PWM輸出;通過配置PWM輸出信號(hào)的頻率，可以調(diào)節(jié)電磁閥響應(yīng)速度、控制精度。增大PWM頻率可以降低電磁閥線圈，保持電流的波動(dòng)，但如果PWM頻率過高，電路的干擾也會(huì)相應(yīng)增大。因此，需優(yōu)化PWM頻率，以降低電磁閥線圈的電流波動(dòng)和電路的電磁干擾。在保證電磁閥可靠吸合的情況下，采用較小的PWM頻率，不但可以降低電磁閥線圈的功耗，而且可以提高電磁閥關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)速度。

3．3 人機(jī)界面

人機(jī)界面是操作人員與采掘設(shè)備交流平臺(tái)。通過人機(jī)界面，工作人員可以方便、及時(shí)地了解采掘設(shè)備的工作運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài)。采掘設(shè)備運(yùn)行中的各種參數(shù)都會(huì)通過人機(jī)界面反饋給操作人員，使操作人員可以更好地掌控設(shè)備狀態(tài)，從而提高工作效率。當(dāng)采掘設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過人機(jī)界面反饋的信息可以縮短查找故障時(shí)間［7］。

人機(jī)界面的組態(tài)軟件通過CAN總線數(shù)據(jù)采集和過程控制圖庫，以圖形的形式直觀且實(shí)時(shí)地顯示采掘設(shè)備各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，如電機(jī)啟停狀態(tài)、電磁閥開啟閥心行程、左右行走履帶轉(zhuǎn)動(dòng)方向、油缸升降等。

3．4 遙控單元

遙控控制單元主要由礦用本質(zhì)安全型控制發(fā)射器和礦用隔爆型遙控接收機(jī)組成。礦用本質(zhì)安全型遙控器對精確度、靈敏度、信號(hào)連貫性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性、遙控距離、防水防塵、耐酸堿性等性能有較高的要求。接收機(jī)的主要功能是將接收到的來自控制發(fā)射器的操作信息，通過CAN總線發(fā)送給采掘設(shè)備主控制器。主控制器通過接收到的控制信息，分析判斷該控制信息的執(zhí)行單元是否為總線上的分布式節(jié)點(diǎn)，然后綜合整個(gè)控制系統(tǒng)的狀態(tài)，確定動(dòng)作是否可以執(zhí)行。如可執(zhí)行，則將控制信息通過CAN總線發(fā)送，并由相應(yīng)控制單元根據(jù)控制信息執(zhí)行。遙控發(fā)射器具有4路開關(guān)量控制信號(hào)，分別為電機(jī)啟動(dòng)、停止、照明和急停;還具有6路模擬信號(hào)，分別為2路左右履帶行走和4路油缸伸縮［8］。

發(fā)射器技術(shù)參數(shù)如下:頻率范圍為405～475 MHz;通信距離≥100 m(空曠環(huán)境下);操作元件為6個(gè)線性搖桿、6個(gè)撥動(dòng)開關(guān);工作溫度范圍為 －25～+70℃;防護(hù)等級(jí)為IP65。

4 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)框圖Fig．3 Block diagram of program design

主控制系統(tǒng)軟件按其程序控制執(zhí)行單元，分為主控單元控制程序和分布單元控制程序。程序采用模塊化設(shè)計(jì)、循環(huán)掃描方式執(zhí)行，具有較高的可讀性。主控單元控制程序包括程序初始化(即擴(kuò)展模塊I/O口狀態(tài)檢測)、傳感器數(shù)據(jù)采樣和處理程序、故障處理和保護(hù)程序、各執(zhí)行部件控制程序。分布式單元控制程序包括CAN總線節(jié)點(diǎn)在線檢測及離線處理程序、電液控制程序、人機(jī)界面顯示程序、遙控系統(tǒng)通信程序等。針對每個(gè)不同功能的模塊程序，分別進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件編寫及調(diào)試。最后，由主控程序根據(jù)各部分程序功能按邏輯關(guān)系將其組合在一起。

5 結(jié)束語

煤礦井下采掘設(shè)備采用分布式電液控制，使液壓系統(tǒng)管路布置簡潔，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性。實(shí)際應(yīng)用中，遙控器可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，保障操作人員安全。同時(shí)，遙控器不僅可以操作每個(gè)電液比例閥單獨(dú)工作，還可以根據(jù)設(shè)備動(dòng)作流程，通過控制程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的自動(dòng)化控制，降低工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。電液比例控制技術(shù)是煤礦井下采掘設(shè)備自動(dòng)化控制的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤礦井下安全高效生產(chǎn)的必要條件。隨著“自動(dòng)化、數(shù)字化礦井”概念的提出、“減人增效”政策的實(shí)施，電液控制技術(shù)在我國煤礦井下采掘設(shè)備的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景［9］。