液壓支架數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略分析

吳奶明

(西山煤電集團(tuán) 東曲礦， 山西 古交 030200)

液壓支架分布于整個(gè)綜采工作面，用于支撐工作面頂板，避免發(fā)生煤層坍塌事故，為綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及操作人員提供安全作業(yè)空間，是煤礦井下不可或缺的支護(hù)設(shè)備[1-2]. 液壓支架電液控制系統(tǒng)是液壓支架的核心，現(xiàn)有的液壓支架電液控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、可靠性低。綜采工作面作業(yè)長度為80～300 m，所需液壓支架數(shù)量較多，液壓支架的動(dòng)作與采煤機(jī)的位置相關(guān)，位于采煤機(jī)后方的液壓支架需要及時(shí)、準(zhǔn)確地完成推溜、支護(hù)頂板的操作。液壓支架在綜采工作面的鋪設(shè)距離較長，每一臺(tái)液壓支架都安裝有一個(gè)控制器，以實(shí)現(xiàn)鄰架控制、成組控制等操作[3]. 針對(duì)采用CAN通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的液壓支架控制系統(tǒng)，為避免在同一時(shí)刻多人同時(shí)操作液壓支架而產(chǎn)生的CAN通信指令碰撞和擁堵，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于CAN通信的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，保證液壓支架控制的安全、穩(wěn)定、及時(shí)、有效。

1 CAN通信協(xié)議介紹

CAN是國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，其本質(zhì)上是一個(gè)廣播類型的總線，具有多主競爭、多主站運(yùn)行、分散仲裁、廣播通信的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)聽，多點(diǎn)控制。CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)中的其他任意節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。CAN通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式見圖1，包括幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段以及幀結(jié)束。仲裁段表示該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先發(fā)送[4-5]. 由CAN通信的特點(diǎn)可知，如果總線上同一時(shí)刻有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送CAN通信信息時(shí)，由于優(yōu)先級(jí)的存在，可能會(huì)造成某一CAN通信信息的延時(shí)發(fā)送，甚至是無限延時(shí)發(fā)送。在綜采工作面的液壓支架控制系統(tǒng)中，這種情況是不允許發(fā)生的，否則會(huì)出現(xiàn)安全事故。

圖1 CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式圖

2 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略

2.1 現(xiàn)有液壓支架CAN通信問題

應(yīng)用CAN通信特點(diǎn)，現(xiàn)有液壓支架控制器采用CAN通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面全部液壓支架的聯(lián)動(dòng)控制。液壓支架電液控制系統(tǒng)之間的控制指令由CAN通信發(fā)送，主要有鄰架控制、成組控制、急停閉鎖控制以及遠(yuǎn)程控制指令。上述指令都是非周期發(fā)送的，優(yōu)先級(jí)從高到低依次為急停閉鎖控制指令、鄰架控制指令、成組控制指令以及遠(yuǎn)程控制指令。在進(jìn)行液壓支架控制時(shí)，如果在同一時(shí)間內(nèi)綜采工作面上有多人同時(shí)對(duì)液壓支架進(jìn)行操作，會(huì)出現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)向CAN總線發(fā)送信息，使得信息在CAN總線上發(fā)生碰撞和擁堵[6]. CAN通信信息發(fā)生碰撞和擁堵后，按照CAN通信協(xié)議幀格式中的仲裁字段，以優(yōu)先級(jí)從高到低次序依次發(fā)送。優(yōu)先級(jí)較低的信息延遲發(fā)送，降低液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。CAN通信數(shù)據(jù)處理流程見圖2，CAN接收中斷到達(dá)后，將接收到的CAN通信信息存入接收緩沖區(qū)，如果CAN接收緩沖區(qū)已滿，則調(diào)用CAN通信協(xié)議解析器對(duì)接收到的信息進(jìn)行解析。如果接收到急停閉鎖信息，則對(duì)該信息直接進(jìn)行處理。如果CAN發(fā)送緩沖區(qū)已滿，則更新系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)送并清空緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

圖2 CAN通信數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略

針對(duì)現(xiàn)有液壓支架CAN通信機(jī)制存在的問題，引入動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。對(duì)CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式中的仲裁段，即標(biāo)準(zhǔn)幀格式中的ID28-ID18 11個(gè)bit位進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，見表1. 其中，ID28-ID26三個(gè)bit位為CAN通信信息的優(yōu)先級(jí)位，二進(jìn)制數(shù)值越低，優(yōu)先級(jí)越高，即0×000的優(yōu)先級(jí)最高，0×111的優(yōu)先級(jí)最低。ID25-ID18 表示該綜采工作面液壓支架的編號(hào)，編號(hào)原則為采煤機(jī)運(yùn)行方向，從0—255依次編號(hào)。如表1所示，“急停閉鎖”的優(yōu)先級(jí)為0×000，為最高優(yōu)先級(jí)，“遠(yuǎn)程控制”的優(yōu)先級(jí)為0×111，為最低優(yōu)先級(jí)。當(dāng)在CAN通信總線中只要存在“急停閉鎖”信息，其他信息的發(fā)送就會(huì)被無限期的延后。

表1 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法CAN通信協(xié)議仲裁段設(shè)計(jì)表

引入動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，即設(shè)定當(dāng)前CAN通信信息infox的優(yōu)先級(jí)為α，該信息仲裁失敗后，其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整原則為：

α′=α-n|α>1

(1)

其中，α為該CAN通信信息的原優(yōu)先級(jí)，α′為該CAN通信信息更新后的優(yōu)先級(jí)，n為該CAN通信信息仲裁失敗次數(shù)，且α>1. CAN通信信息的優(yōu)先級(jí)在動(dòng)態(tài)升級(jí)過程中，不能超越急停閉鎖的優(yōu)先級(jí)，即急停閉鎖的優(yōu)先級(jí)始終是最高的。另外，為保證液壓支架控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，定義CAN通信信息在規(guī)定時(shí)間內(nèi)仍然沒有發(fā)送出去，則直接將該CAN通信信息的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1. CAN通信信息的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法見圖3，首先將等待發(fā)送的信息賦予初始優(yōu)先級(jí)α，如果該信息發(fā)送不成功，則按照式(1)規(guī)則動(dòng)態(tài)提升優(yōu)先級(jí)，如果在規(guī)定時(shí)間T內(nèi)，該信息仍沒有發(fā)送出去，則直接將該信息的優(yōu)先級(jí)置為1，以保證信息按時(shí)發(fā)送，確保液壓支架控制的實(shí)時(shí)性。

圖3 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法流程圖

對(duì)液壓支架進(jìn)行控制的運(yùn)行參數(shù)保存在端頭控制器的外部存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)形式為控制指令+支架號(hào)+前立柱壓力+后立柱壓力+推溜位移+伸縮壓力+狀態(tài)位，見表2. 其中，狀態(tài)位占一個(gè)字節(jié)，可表示8個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，有間架控制器急停、閉鎖狀態(tài)、推溜到位狀態(tài)、壓力(前立柱壓力、后立柱壓力、伸壓力、縮壓力)正常狀態(tài)等，見表3，為對(duì)支架0×1C進(jìn)行鄰架控制，控制后前立柱壓力為0×3C，后立柱壓力為0×17，推溜位移和伸縮壓力都為0，狀態(tài)位都為0，狀態(tài)正常。

表2 CAN通信動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略數(shù)據(jù)保存格式表

表3 狀態(tài)位位定義表

3 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)4組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的液壓支架CAN通信動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1：驗(yàn)證動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略中的鄰架控制，液壓支架控制器1通過CAN通信對(duì)液壓支架控制器2進(jìn)行鄰架控制，并進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 鄰架控制指令內(nèi)容表

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2：驗(yàn)證動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略中的遠(yuǎn)程控制，操作上位機(jī)，通過液壓支架控制1控制液壓支架控制器2進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5.

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3：驗(yàn)證動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略中的急?？刂疲簤褐Ъ芸刂破?對(duì)液壓支架控制器2進(jìn)行急?？刂?，同時(shí)，液壓支架控制3對(duì)液壓支架控制2進(jìn)行升前立柱控制，運(yùn)行存儲(chǔ)結(jié)果見表4，控制指令為急停000，狀態(tài)位為80.

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)4：驗(yàn)證動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略中的成組控制，對(duì)編號(hào)為1C-21的液壓支架進(jìn)行成組升前立柱控制，運(yùn)行后的存儲(chǔ)結(jié)果見表5. 表5所示為完成支架號(hào)為1C-21升前立柱的動(dòng)作控制，且狀態(tài)位都為00，狀態(tài)正常。

表5 遠(yuǎn)程控制指令內(nèi)容表

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于液壓支架數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN通信動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)發(fā)送的CAN通信信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證了液壓支架控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，維持液壓支架“急停閉鎖”動(dòng)作優(yōu)先級(jí)最高，確保液壓支架安全、穩(wěn)定。