基于CAN總線的礦用自移設備列車控制系統(tǒng)設計*

田克君

(1. 中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在井下綜采工作面順槽中一般布置有乳化液泵、開關組、負荷中心等機械設備，為綜采工作面提供各種動力源[1]。隨著采煤機和轉載機的向前推移，這些設備也需要不斷地向前移動。目前我國設備列車仍然以前移的方法來實現(xiàn)列車自動邁步前移、行走等功能[2]。超長距離自移設備列車及配套裝備(下稱自移設備列車)集成列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能，實現(xiàn)錨固牽引裝置帶動整個設備列車及配套裝備的邁步式前移，綜采工作面順槽作業(yè)成套化、系統(tǒng)化和自動化[3]。為滿足自移設備列車各組成部分的邁步、前移、承載等功能，同時實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化、無人化管理，對電氣控制系統(tǒng)提出了新要求。

近十年來，在煤礦井下CAN現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)不斷地應用并組建現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，由于其通信速率高、可靠性好、價格低廉等特點，被廣泛應用于車輛控制、樓宇自動化、數(shù)控技術等各種控制領域中[4]。作為一種多主方式、高速率、高可靠性的串行通信總線，CAN總線非常適用于自移設備列車這種分布式實時控制系統(tǒng)。

根據(jù)礦用設備列車控制系統(tǒng)的控制單元多、距離長、實時性要求高、同步(交叉)邁步特性，利用CAN總線實時性強、多主控制、抗干擾性強等特點，結合自移設備列車的牽引行走、邁步自移、升降等特點，本文設計了礦用設備列車控制系統(tǒng)并得以應用。

1 系統(tǒng)方案

自移設備列車布置于運輸順槽巷道，由錨固牽引裝置、邁步自移裝置、管纜伸縮承載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。

自移設備列車前部配置錨固牽引裝置，后面有多輛平板車(超過40輛)，總長度超過220 m，具體組成如圖1所示。平板車控制要求可以同時提升或分組提升。設備列車位于軌道之上，與軌道互為支點，實現(xiàn)邁步前移。

圖1 自移設備列車組成

系統(tǒng)中牽引車和每個平板車控制單元作為一個CAN節(jié)點接入CAN網(wǎng)絡，各個控制單元組成一個CAN現(xiàn)場總線實時控制網(wǎng)絡，如圖2所示。

圖2 自移設備列車控制系統(tǒng)

牽引車配有控制器、液壓動力站、顯示單元等。液壓動力站為整個系統(tǒng)提供液壓動力，是液壓元件的動力源。顯示單元集中顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息。牽引車控制單元除了完成泵站啟停、系統(tǒng)壓力監(jiān)測之外，還需要對各平板車單元進行油缸升降的集中控制；同時，可以通過CAN網(wǎng)絡讀取系統(tǒng)中其他單元(包括平板車單元)的各個參數(shù)，并將控制內容發(fā)送至CAN網(wǎng)絡。

各個平板車控制單元實時監(jiān)測本單元的提升油缸和推移油缸的位移參數(shù)，以及本單元的管路壓力和液壓油溫度，并將這些數(shù)據(jù)實時發(fā)送至CAN網(wǎng)絡；同時，還可以接受CAN網(wǎng)絡中其他單元(包括牽引車單元)的狀態(tài)信息和控制內容。

在整個控制系統(tǒng)中，每個控制單元不分主從，都可以通過本單元對控制系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)對各平板車的集中管理，完成設備列車的統(tǒng)一調度，實現(xiàn)整個平板車組的自動邁步前移、升降。

各個單元除了可以完成集中控制外，還可以完成本地控制，便于進行本地單元的手動操作。

2 控制器設計

設備列車控制器包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。采用嵌入式系統(tǒng)分層結構的設計思想[5]，分別對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行設計，便于硬軟件工作的開展與銜接?？刂破飨到y(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 控制器系統(tǒng)結構

硬件系統(tǒng)包括嵌入式微控制器、CAN功能部件及油缸位移采樣、推移和升降驅動電路。其中，嵌入式微控制器為系統(tǒng)的控制核心和運算核心；功能部件包括CAN功能部件和其他功能部件，這些功能部件通過外圍電路與外界交互；油缸位移采樣電路完成對油缸活塞桿伸出長度的檢測并進行A/D轉換；油缸推移、升降電路完成對推移油缸、升降油缸的驅動控制，通過驅動油缸的推移和升降，從而實現(xiàn)設備列車的整體邁步平移和各平板車的升降。

軟件系統(tǒng)包括底層實時操作系統(tǒng)、CAN驅動庫和其他驅動庫(如模數(shù)轉換、中斷等)[6]。應用層軟件包括油缸位移采樣子程序和油缸推移、升降子程序。由于在油缸中加入了位移控制器，在油缸推移和升降過程中，需要對油缸位移進行反饋比較，從而實現(xiàn)油缸推移和升降的閉環(huán)控制，進一步實現(xiàn)自移設備列車的整體前移、升降同步控制。

設備列車平板車控制器采用嵌入式微控制器作為核心控制器，硬件結構如圖4所示。該控制器的優(yōu)點是芯片內部集成了很多功能，如ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數(shù)器、串行口、脈寬調制輸出口等[7]。

圖4 控制器硬件結構

油缸位移等模擬量輸入信號(如1～5 V電壓、4～20 mA電流等)通過A/D轉換和信號調理后接入中央控制器，模擬量輸出通過D/A轉換后接電磁閥以控制油缸的升降速度。陣列鍵盤用于系統(tǒng)參數(shù)設置，其通過鍵盤芯片后經(jīng)片內串行總線SPI直接和微控制器完成數(shù)據(jù)交換。控制按鍵用于控制設備列車的推移、升降，其直接接入微控制器的GPIO。開關量輸出通過將GPIO的輸出信號進行調理放大后驅動繼電器，將開關量輸出信號給電動機控制系統(tǒng)。另外，硬件中還有LCD顯示屏驅動和顯示內容控制、以太網(wǎng)接口等。

CAN硬件電路有2種方案：一種是使用帶片內CAN控制器的微控制器，這種方法電路圖緊湊，便于制作電路板，同時減少硬件故障；另外一種是使用獨立的CAN控制器，例如SJA1000、MCP2510等。從減少成本和降低故障率的角度考慮，本方案中使用帶CAN控制器的ARM芯片，選用PCA82C250收發(fā)器實現(xiàn)控制器和物理傳輸線路之間的連接轉換。另外，本系統(tǒng)設計了兩路CAN通信網(wǎng)絡。一路為礦用設備列車控制系統(tǒng)牽引車和各平板車之間通信；另一路接入井下工業(yè)自動化CAN網(wǎng)絡，為井下自動化系統(tǒng)提高網(wǎng)絡接口，便于信息的共享與連通。這樣設計的優(yōu)點是本地CAN網(wǎng)絡和井下系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡分別建立，防止不同CAN網(wǎng)絡之間的干擾信息傳入，減少CAN網(wǎng)絡故障，降低數(shù)據(jù)傳輸丟包率。同時，若某一路CAN網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，可以通過簡單的設置實現(xiàn)兩路CAN網(wǎng)絡的切換，便于快速恢復網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余。

3 CAN通信協(xié)議

CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種。標準格式有11位標識符，擴展格式有29為標識符。由于設備列車CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量不多(小于100)，便于網(wǎng)絡識別和數(shù)據(jù)傳送，所以采用標準幀格式。牽引車和各平板車分別對應不同的ID號，ID號編碼規(guī)則見表1。在牽引車單元中

表1 標識符號分配

的系統(tǒng)控制設置功能對應報文由牽引車單元發(fā)送、各平板車單元接收，各單元報文格式見表2和表3。

在每個控制單元中有CAN控制和狀態(tài)子程序，便于將CAN通信網(wǎng)絡中不同標識符的控制內容和狀態(tài)內容分別轉換成便于系統(tǒng)統(tǒng)一管理的變量，提高程序的可讀性和編程效率。

表2 牽引車單元報文

表3 平板車單元報文

需要特別注意的是，由于一個單元可以有多個標識符，所以要根據(jù)不同單元、不同功能來分配標識符，避免標識符重復，造成CAN總線通信故障。

4 結語

以液壓為動力，集成自帶軌道、高度集成列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能的礦用自移設備列車要求控制系統(tǒng)具有分布式控制、實時性、本地/主控切換等功能?；贑AN總線的FCS控制系統(tǒng)可以連接多個控制單元、實時完成控制指令和執(zhí)行機構的控制，同時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。通過驗證，自移設備列車取得了優(yōu)良的使用效果，首次使綜采工作面順槽運輸作業(yè)成套化、系統(tǒng)化、自動化。

限于篇幅，本文未對控制系統(tǒng)中的其他功能(如自移、行走、自動補液等)做介紹。