基于冗余CAN通信的智能集成供液控制系統(tǒng)

趙康康

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

0 引言

集成供液系統(tǒng)作為煤礦綜采工作面的重要設備之一，是一種把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗艿哪芰哭D(zhuǎn)換裝置，為綜采工作面的液壓支架和采煤機噴霧降塵提供動力。隨著我國煤礦綜采自動化水平的不斷提高，開采技術正朝著無人化、智能化的方向發(fā)展[1]，這對通信的穩(wěn)定性、實時性和系統(tǒng)的可靠性、靈活性提出了更高的要求。CAN總線(controller area network)作為一種高速率、高可靠性的串行通信總線，廣泛應用于工業(yè)控制領域[2]。但隨著CAN總線網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目越來越多，通信距離越來越長，對CAN總線的通信可靠性提出了更高的要求[3]。為此，本文提出了一種CAN總線冗余的系統(tǒng)設計方法，可有效的提高通信系統(tǒng)的可靠性。并在此基礎上開發(fā)了智能化集成供液控制系統(tǒng)應用軟件，采用柔性化設計，使軟件系統(tǒng)適應環(huán)境變化的靈活性需求[4]。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計

智能集成供液控制系統(tǒng)主要由工控機、主站控制器、分站控制器組成，分站控制器按控制功能又分為乳化泵、液箱、噴霧泵和清水箱控制器，主要功能有集成供液自動化控制、乳化液自動配比控制、遠程干預、智能監(jiān)測和故障診斷等[5]?？刂葡到y(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

工控機負責集成供液系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集，并轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)至服務器數(shù)據(jù)中心；主站控制器對系統(tǒng)分站進行集中控制，可對分站進行參數(shù)設置、單動控制和聯(lián)動控制；分站控制器負責本站傳感器數(shù)據(jù)采集、故障判斷、數(shù)據(jù)收發(fā)、電機和閥的自動化控制。

由總體方案結構圖中可看出，系統(tǒng)控制器采用串聯(lián)式的物理連接方式，此種方式優(yōu)點在于現(xiàn)場便于安裝，快速插接即可完成；且可擴展性強，可直接將需擴展的分站控制器串聯(lián)至系統(tǒng)尾部即可，高效率的對控制功能進行調(diào)整和為客戶提供定制化服務。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

為確保此種串聯(lián)方式的通信的可靠性，本文設計了冗余CAN通信，其中一種CAN通信方式為相鄰控制器數(shù)據(jù)接力的形式進行傳遞，另一CAN通信方式為總線式廣播的形式進行通信。此通信形式配合柔性化設計的軟件，使系統(tǒng)在具有高可靠性的同時，又具備了較好的可維護性和很強的適應性。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主站和分站控制器均采用ARM7內(nèi)核芯片作為主處理器，選用LPC2294處理器，該處理器通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)高達60 MHz的CPU工作頻率[6]，具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.44 μs。除此之外，此芯片配有4路CAN通道，滿足系統(tǒng)CAN通信的冗余設計。外部掛載存儲器容量為1 M的FLASH芯片和512 K 的SRAM芯片，為系統(tǒng)提供了較強的數(shù)據(jù)存儲能力。

2.1 控制器硬件總體設計

本系統(tǒng)控制器根據(jù)其功能劃分，主要由主控模塊、CAN通信模塊、傳感器采集模塊、泵站控制模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)及程序存儲模塊、鍵盤和顯示等模塊組成。控制器硬件總體結構示意圖如圖2所示。

圖2 控制器硬件總體結構示意圖

控制器可通過顯示與鍵盤對分站電機進行啟停操作，傳感器采集模塊采集泵站油位、油壓、液位、電機溫度傳感器數(shù)值，支持傳感器類型包括4～20 mA電流型、0～5 V電壓型以及開關量信號的傳感器。泵站控制系統(tǒng)應用程序存儲于外部存儲模塊中，通過下載管理軟件對其進行管理和升級，為應用程序的修改和控制功能的調(diào)整提供了方便；數(shù)據(jù)存儲模塊保存系統(tǒng)所需的配置參數(shù)，是系統(tǒng)軟件柔性化設計的基礎。分站與分站之間，以及主站與分站之間均通過CAN通訊模塊進行連接，組成完整的控制系統(tǒng)?？刂破饔布嵨锶鐖D3所示。

圖3 控制器硬件實物圖

2.2 冗余CAN通信結構設計

本系統(tǒng)物理接線形式為串聯(lián)式，同時亦為總線式拓撲結構。充分利用了LPC2294芯片具有多路CAN通道的優(yōu)勢，在此基礎上設計了冗余CAN通信，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定通信的同時，利用此設計提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率。冗余CAN通信結構圖如圖4所示。

圖4 冗余CAN通信結構

總線CAN用于系統(tǒng)狀態(tài)信息和控制指令的傳輸，鄰線CAN是通過每個控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)通信的，主要用于系統(tǒng)參數(shù)的傳遞和作為總線的備份。控制器鄰線CAN又分為左鄰線和右鄰線，采用不同的CAN通信通道，電路設計與總線CAN相同，均采用了單線CAN通信電路，在滿足設計要求的同時，既節(jié)約了礦用電纜，又便于現(xiàn)場維護。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)程序、下載管理程序和應用程序等。采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，在穩(wěn)定運行的同時具有較高的實時性[7]；下載管理軟件可實現(xiàn)應用程序管理、升級功能，使用手持設備可以在工作現(xiàn)場方便的升級控制器應用程序，為應用程序的修改和控制功能的調(diào)整提供了方便，具有較強的環(huán)境適應性。

系統(tǒng)軟件結構在ARM7硬件基礎上采用水平和垂直分層相結合的嵌入式軟件架構，并服務抽象，提煉可復用的顯示/通信/存儲服務，使系統(tǒng)整體性能得以提升。系統(tǒng)軟件架構如圖5所示。此架構有效避免了傳統(tǒng)水平分層封裝，逐層降低系統(tǒng)性能的缺陷，開發(fā)過程規(guī)范，軟件穩(wěn)定性高、可維護性好。

圖5 系統(tǒng)軟件架構

3.1 控制系統(tǒng)應用軟件

集成供液控制系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā)，對應用軟件進行模塊化設計，可根據(jù)客戶不同需求提高設備自動化水平，最大限度地降低功能間的相互影響，以提高系統(tǒng)的魯棒性，能夠更好的適應復雜工況，使用安全可靠。

系統(tǒng)軟件分為主站軟件和分站軟件兩大部分。主站軟件包括CAN通信、數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)檢測、各分站單動和聯(lián)動控制等軟件模塊；分站軟件包括通信模塊、傳感器采集、存儲、泵站自動控制和運行監(jiān)測等軟件模塊。系統(tǒng)軟件模塊設計方案如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件模塊設計方案

3.2 冗余CAN通信軟件設計

本系統(tǒng)在CAN通信方面采用了冗余設計，通過CAN總線和CAN鄰線組合的方式提高數(shù)據(jù)通信效率和穩(wěn)定性。CAN總線負責控泵站制指令下發(fā)、狀態(tài)信息上傳和故障信息報送；CAN鄰線用于系統(tǒng)應用程序升級和參數(shù)配置，在系統(tǒng)運行時作為CAN總線的備份。這樣的功能劃分使得CAN通信線路得到充分利用，以提高數(shù)據(jù)傳輸能力。

在系統(tǒng)正常運行時，CAN總線和CAN鄰線按其功能劃分進行通信。當某一線路出現(xiàn)通信故障時，通過軟件的自動診斷，且無法恢復正常通信時，將故障線路上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至非故障線路中進行傳輸，以確保通信不發(fā)生中斷，避免泵站運行過程中因通信問題而出現(xiàn)停泵等現(xiàn)象，從而影響礦方生產(chǎn)。冗余CAN通信模塊軟件工作流程如圖7所示。

圖7 冗余CAN通信軟件工作流程圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件柔性設計

在設計控制系統(tǒng)軟件時，充分考慮了不同礦采煤工作面供液需求之間的差異，采用了軟件柔性化設計。柔性設計是在軟件模塊化的基礎上進一步開發(fā)，細化軟件功能模塊，并開放出各模塊內(nèi)部參數(shù)，通過配置系統(tǒng)各個功能模塊以及模塊內(nèi)部參數(shù)使得軟件具備相應功能，以適應不同的應用環(huán)境。

系統(tǒng)配置文件對各個功能模塊進行重新組裝，自動完成運行代碼的改變，確保軟件質(zhì)量的同時，大幅提高新項目開發(fā)效率，系統(tǒng)軟件功能可擴展性強，可高效率的為客戶提供定制化服務。軟件柔性化設計原理如圖8所示。

圖8 軟件柔性化設計原理圖

系統(tǒng)軟件可通過鍵盤和顯示功能對配置文件的部分參數(shù)進行修改，并讀取修改后的數(shù)據(jù)，對采集、執(zhí)行、監(jiān)控等功能模塊進行重新配置，以應對現(xiàn)場臨時的或較小的需求變化。配置文件輸入設備可對配置文件所有參數(shù)以及功能模塊進行重組，按需求實現(xiàn)相應功能，在現(xiàn)場快速完成新項目軟件的開發(fā)。

4 測試結果

實驗測試臺由9個分站控制器(4個乳化泵、3個噴霧泵、1個液箱、1個水箱)和1個主站控制器組成，并采用信號發(fā)生器模擬液位、溫度、壓力等傳感器信號。筆記本電腦連接CAN分析儀實時監(jiān)聽系統(tǒng)CAN通信狀態(tài)，實驗測試平臺局部如圖9所示。

圖9 測試平臺局部

通過CAN分析軟件監(jiān)測總線CAN和鄰線CAN通信狀態(tài)，CAN總線數(shù)據(jù)流量曲線如圖10所示，總線數(shù)據(jù)流量主要在80～140幀/s范圍之間。此時，由于各設備總線CAN工作正常，且無參數(shù)修改等操作，鄰線CAN作為備用線路無數(shù)據(jù)傳輸。

圖10 總線CAN數(shù)據(jù)流量

進行實驗，切斷1號乳化液泵控制器的總線CAN通信線路模擬通信故障，觀察鄰線CAN數(shù)據(jù)流量曲線如圖11。此時，鄰線CAN上出現(xiàn)1～3幀/s的數(shù)據(jù)流量。

圖11 鄰線CAN數(shù)據(jù)流量

與此同時，觀察主站控制器上的液位值和系統(tǒng)壓力值顯示，如圖12(a)所示，液箱控制器總線報送的液位值和1號乳化液泵鄰線報送的系統(tǒng)壓力值均正常顯示。測試主站控制器遠程啟動1號乳化液泵，如圖12所示，液泵1成功啟動，主站控制器界面顯示液泵1正在運行。由此可知，1號乳化液泵控制器在總線CAN故障時，成功切換至鄰線CAN進行數(shù)據(jù)上傳和控制指令下發(fā)，系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠。

(a)主站控制器界面顯示

(b)液泵1控制器界面顯示

5 工程應用

該控制系統(tǒng)較好的環(huán)境適應性并縮短了新項目的開發(fā)周期，使得本系統(tǒng)在短時間內(nèi)得到廣泛推廣和應用，已先后用于新巨龍煤礦、王家?guī)X煤礦和陽煤二礦等多個煤礦綜采工作面。目前控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，現(xiàn)場操作簡單且易于維護。其較高的自動化水平和可靠性，提升了煤礦生產(chǎn)效率，同時也降低了井下工人勞動強度?？刂葡到y(tǒng)在王家?guī)X煤礦的井下應用如圖13和圖14所示。

6 結束語

本文提出了一種冗余CAN通信的設計方法，基于此方法設計了一種采煤工作面智能集成供液控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的硬件電路和柔性化控制軟件的開發(fā)和調(diào)試。經(jīng)實驗測試，冗余CAN通信設計提高了系統(tǒng)的魯棒性，有效的解決了煤礦復雜工況下信號傳輸不穩(wěn)定的難題。該控制系統(tǒng)已成功應用于多個煤礦的集成供液設備控制，具有運行穩(wěn)定、自動化程度高、易維護等優(yōu)點，滿足煤礦井下集成供液控制的需求。

圖13 王家?guī)X煤礦井下集成供液

圖14 集成供液1號乳化液泵分站