基于Can總線的蓄電池支架搬運(yùn)車通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

布朋生

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

與柴油驅(qū)動(dòng)的煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛存在的有害氣體排放超標(biāo)、噪聲污染嚴(yán)重等問題相比，電驅(qū)型無軌輔助運(yùn)輸車輛不僅具有零排放、零噪聲污染的特點(diǎn)，而且以環(huán)保、高效、節(jié)能等優(yōu)勢得到迅速發(fā)展[1]. 蓄電池支架搬運(yùn)車作為能夠較長距離行駛的礦用電動(dòng)無軌運(yùn)輸車輛，在綜采工作面發(fā)揮的作用越來越大。神東礦區(qū)引進(jìn)的艾朗道公司(LONG-A IRDOX)的VT630、VT610以及比塞洛斯公司的VTC650型蓄電池支架搬運(yùn)車在綜采工作面液壓支架的整體下井、倒面作業(yè)中發(fā)揮了重要的作用[2-3]. 煤炭科學(xué)研究總院在借鑒國內(nèi)研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)出WX35 J等一系列蓄電池支架搬運(yùn)車，并應(yīng)用于神東、陜煤等多個(gè)礦區(qū)。蓄電池支架搬運(yùn)車以變頻牽引技術(shù)、智能控制技術(shù)為核心，在整車節(jié)能、車輛輕量化等方面都優(yōu)于柴油驅(qū)動(dòng)支架搬運(yùn)車。為保證蓄電池支架搬運(yùn)車電氣控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，將Can/CanOpen通信技術(shù)引入蓄電池支架搬運(yùn)車控制系統(tǒng)，為其變頻調(diào)速、智能控制提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通道。Can/CanOpen通信技術(shù)較為成熟，在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、礦用變頻調(diào)速一體機(jī)等方面都有應(yīng)用實(shí)例[4-6]. 以蓄電池支架搬運(yùn)車為研究對象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于Can/CanOpen的通信系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸簡單、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的目的。

1 Can總線介紹

1.1 Can總線定義

現(xiàn)場總線(Field Bus)即工業(yè)數(shù)據(jù)總線，主要用于解決儀器儀表、控制器等工業(yè)現(xiàn)場智能化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信問題，構(gòu)建自動(dòng)控制底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，為整體系統(tǒng)智能控制提供數(shù)據(jù)通信鏈路。常用的現(xiàn)場總線有Profibus、Profinet、EtherCAT、ControlNet以及Can/CanOpen等，具有實(shí)現(xiàn)簡單、通信可靠、經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)。Can總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，與ISO模型一致，有ISO11519-2(針對通信速率為125 kbps以下)和ISO11898(針對通信速率為125 kbps～1 Mbps)兩個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀、過載幀以及幀間隔共同完成數(shù)據(jù)通信。Can總線數(shù)據(jù)幀格式見圖1，仲裁段表示該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，其ID可為11位(標(biāo)準(zhǔn)幀，RTR=0)或29位(擴(kuò)展幀，RTR=1).

1.2 Can總線特點(diǎn)

Can總線通信應(yīng)用于煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸，有如下特點(diǎn)：1) Can總線以通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使得Can局域網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受限制。2) Can總線通信速率可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境以及通信距離的長短靈活設(shè)置，可在50 kbps～1 Mbps選擇。3) Can協(xié)議的循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC以及短數(shù)據(jù)幀模式保證了數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和靈活性。4) 多節(jié)點(diǎn)模式下可根據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問。5) 報(bào)文按照NRZ(Non-Return-to-Zero)進(jìn)行編碼/解碼。6) 靈活的總線訪問沖突仲裁機(jī)制。

圖1 Can通信數(shù)據(jù)幀格式圖

2 總體結(jié)構(gòu)

蓄電池支架搬運(yùn)車通信設(shè)計(jì)框圖見圖2，以PLC控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與變頻器、數(shù)據(jù)采集器、駕駛室以及監(jiān)控平臺(tái)的Can通信。PLC控制器與變頻器通信模式中，有左前、右前、左后、右后4個(gè)變頻器，與電動(dòng)機(jī)以“一拖一”模式進(jìn)行工作。支持Can通信的數(shù)據(jù)采集器將采集的開關(guān)量、模擬量以Can通信模式發(fā)送給PLC控制器。蓄電池支架搬運(yùn)車駕駛室/監(jiān)控平臺(tái)的控制指令以及顯示的數(shù)據(jù)以Can通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。PLC控制器將獲取的所有Can總線數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)模塊傳送至煤礦井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)[7]，方便地面集中控制中心的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

圖2 蓄電池支架搬運(yùn)車通信設(shè)計(jì)框圖

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 Can通信參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的蓄電池支架搬運(yùn)車通信系統(tǒng)Can通信參數(shù)配置信息見表1，PLC控制器與4個(gè)變頻器之間以Can2.0 A協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。 蓄電池支架搬運(yùn)車電氣控系統(tǒng)中開關(guān)量、模擬量較多，采用ADFTO-4824通用信號(hào)采集器，將采集到的開關(guān)觸點(diǎn)、模擬量以Can或RS485模式輸出，開關(guān)量可為無源/有源DC+9V-24V，模擬量可為電流型4～20 mA，或者電壓 DC0-5V/DC0-10V，滿足蓄電池支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)需求。PLC控制器與駕駛室、監(jiān)控平臺(tái)之間以Can2.0B協(xié)議格式進(jìn)行通信，采用擴(kuò)展幀格式，其COBID分別為0×8 122以及0×8 132.

表1 電驅(qū)型支架搬運(yùn)車通信系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置表

3.2 Can通信軟件設(shè)計(jì)

Can通信軟件設(shè)計(jì)包括Can通信連接的建立過程、Can通信數(shù)據(jù)發(fā)送過程以及Can通信數(shù)據(jù)接收流程，見圖3. Can通信建立過程需要對Can通信參數(shù)如COBID、波特率等進(jìn)行初始化配置，在對發(fā)送連接、接收連接建立時(shí)，根據(jù)輸出傳輸?shù)膶?shí)際需要，建立合適通信連接N，定義每一條連接可傳送8字節(jié)，則該Can通信連接一共可傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)為8×N.

圖3 Can通信建立數(shù)據(jù)發(fā)送流程及接收流程圖

設(shè)計(jì)Can通信數(shù)據(jù)收發(fā)流程時(shí)，分別定義發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，PLC控制器首先將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，設(shè)置發(fā)送請求命令后，才可以啟動(dòng)發(fā)送命令將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送成功后，將發(fā)送緩沖區(qū)清空。數(shù)據(jù)接收時(shí)，只有接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)不為空才啟動(dòng)接收流程，首先將要接收的數(shù)據(jù)送入接收緩沖區(qū)，PLC控制器讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，同時(shí)將接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零。接收/發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是一個(gè)FIFO隊(duì)列，需遵循先入先出的原則。

4 實(shí) 現(xiàn)

采用CAN總線實(shí)現(xiàn)的蓄電池支架搬運(yùn)車實(shí)物見圖4，電氣控制部分由左/右電氣控制箱兩部分組成，每個(gè)電氣控制箱中裝有兩個(gè)變頻器，分別控制左前/右前/左后/右后4個(gè)電動(dòng)機(jī)。駕駛室內(nèi)安裝有腳踏板以及手柄，其信號(hào)都以CAN總線方式傳送至電氣控制箱控制支架搬運(yùn)車的油泵啟動(dòng)/停止、解制動(dòng)、前進(jìn)、后退等。支架搬運(yùn)車前部用于對液壓支架進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，后部為蓄電池，為支架搬運(yùn)車提供動(dòng)力。

圖4 基于Can總線的蓄電池支架搬運(yùn)車

5 現(xiàn)場測試

將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的蓄電池支架搬運(yùn)車通信系統(tǒng)嵌入至電氣控制系統(tǒng)中，完成硬件設(shè)備的連線和軟件調(diào)試工作，對PLC控制器與4個(gè)變頻器、開關(guān)量、模擬量、駕駛室以及監(jiān)控平臺(tái)Can通信功能進(jìn)行現(xiàn)場測試。Can通信數(shù)據(jù)線采用雙絞屏蔽專用線，增加Can通信隔離模塊，Can通信兩端增加120 Ω終端電阻。數(shù)據(jù)發(fā)送方式定義為：數(shù)據(jù)位無變化時(shí)，周期發(fā)送，發(fā)送周期為500 ms；數(shù)據(jù)位有變化時(shí)，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。利用CAN分析儀，對PLC控制器與變頻器駕駛室以及監(jiān)控平臺(tái)CAN通信數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和分析。經(jīng)現(xiàn)場測試，系統(tǒng)響應(yīng)最大延時(shí)為200 ms，傳輸誤碼率為0，保證蓄電池支架搬運(yùn)車PLC控制器與各設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，能夠完成對支架搬運(yùn)車的前進(jìn)/后退/停止等多種控制方式，間接證明了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的CAN通信系統(tǒng)的有效性和正確性。

6 結(jié) 論

分析蓄電池支架搬運(yùn)車電氣控制系統(tǒng)中各設(shè)備以及傳輸數(shù)據(jù)需求，以Can總線方案建立數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，簡化各設(shè)備之間的復(fù)雜接線，同時(shí)保證了PLC控制器與各設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，滿足蓄電池支架搬運(yùn)車電氣控制系統(tǒng)需求。整個(gè)通信系統(tǒng)線路連接簡單，便于安裝、調(diào)試和維護(hù)。另外，將蓄電池支架搬運(yùn)車所有數(shù)據(jù)以TCP/IP模式發(fā)送至工業(yè)環(huán)網(wǎng)以及集中控制中心，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦區(qū)的數(shù)據(jù)共享。