王吉松

摘要：煤礦井下綜采工作面液壓支架的姿態(tài)及推移控制是目前我國實現(xiàn)無人開采的主要瓶頸之一。電液控制是目前井下液壓支架控制的主要方式，作為對液壓支架姿態(tài)的監(jiān)測和控制，電液控制系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性及可靠性是核心。本文分析了國內(nèi)煤礦井下使用的支架電液控系統(tǒng)存在的諸多不足之處，結合CAN總線技術支持多主總線及分布式控制等優(yōu)點，設計了一種基于CAN總線技術通信的煤礦井下液壓支架控制系統(tǒng)節(jié)點，內(nèi)容包括以支架控制器為單元的CAN節(jié)點硬件設計和系統(tǒng)節(jié)點軟件設計，通過實驗驗證，此系統(tǒng)提高了液壓支架控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為國內(nèi)液壓支架電液控制系統(tǒng)的研究提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：液壓支架； CAN總線； 支架控制器；

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）30-0197-03

國內(nèi)煤礦行業(yè)已經(jīng)進入寒冬季節(jié)，各大型煤礦公司為減少開采成本，正醞釀著縮減井下人員，這無疑將井下無人或者少人開采技術上升一個需求高度。作為綜采工作面的支護設備，液壓支架的自動控制是井下少人或者無人開采的技術難點之一。目前進入國內(nèi)市場的液壓支架控制一律采用電液控制方式，主要有3種：德國MARCO公司的PM31型、德國DBT公司的PM4型及美國JOY公司的RS20型[1]；PM31系統(tǒng)各支架控制器之間的通信采用BIDI Bus總線技術，而整個工作面之間的通信則采用T Bus總線技術；PM4系統(tǒng)各支架間采用BIDI Bus互聯(lián)成綜采面網(wǎng)絡；RS20系統(tǒng)與上述兩種不同，架間通信采用19芯電纜連接，其中有8芯電纜用于系統(tǒng)間通信和急停閉鎖功能[2]。PM4和PM31雖然采用的是總線協(xié)議，但是屬于私有、非標準現(xiàn)場協(xié)議，形成的技術思路比較早，實現(xiàn)起來復雜，沒有制定可靠的通訊協(xié)議，一切后期穩(wěn)定措施都要靠用戶自己編程實現(xiàn)，不但增大了開發(fā)難度還需要消耗較多的系統(tǒng)資源。綜采工作面對支架的控制可靠性及穩(wěn)定性要求很高，私有的非標準現(xiàn)場協(xié)議不適宜用于控制系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通信，采用現(xiàn)場總線技術則可以很好地解決上述問題。

CAN總線技術作為一種標準的現(xiàn)場總線，大量應用于煤礦井下的控制系統(tǒng)之中，其優(yōu)點是接在總線上的各節(jié)點不分主從，各節(jié)點都可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；采用獨特的非破壞總線仲裁技術，預先設置優(yōu)先級，當各節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的主動退出發(fā)送，優(yōu)先級高的優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，避免信息阻塞，提高通訊可靠性。另外，CAN總線還具有糾錯功能，能夠克服井下變頻器等導致的強烈電磁干擾影響[4]，而且傳輸距離遠，最遠傳輸距離可達10Km[3]；因此，采用CAN總線協(xié)議通信，從穩(wěn)定性、實時性和傳輸距離上都滿足礦下綜采工作面的要求。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)及支架控制器節(jié)點硬件設計

1.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)支架的動作控制及傳感器數(shù)據(jù)的采集，目前液壓支架電液控制系統(tǒng)主要分為3種結構形式，第一種由支架控制器、電磁驅(qū)動器、傳感器等組成；第二種由支架控制器、人機界面、驅(qū)動器和傳感器等組成；第三種由支架控制器和傳感器組成；本文論述的設計是基于第一種結構形式支架電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控、井下主支架控制器、從支架控制器、電磁驅(qū)動器及各類傳感器組成。其組成框圖如圖1所示。

從支架控制器通過外部按鍵或者傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)出控制命令到驅(qū)動器，從而達到對支架進行相關動作控制，主支架控制器監(jiān)測各個從支架控制器節(jié)點發(fā)往CAN總線的傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)與地面集控室實現(xiàn)互聯(lián)，這樣可以方便實現(xiàn)地面上對井下液壓支架的監(jiān)測和控制。

1.2 支架控制器CAN節(jié)點硬件設計

支架控制器在CAN總線上屬于一個節(jié)點，支架控制器分為主、從控制器兩種，主支架控制器主要用于CAN數(shù)據(jù)的采集并通過以太網(wǎng)上傳地面集控中心，在CAN節(jié)點設計上與從支架控制器并無區(qū)別，因此本文以從支架控制器的CAN節(jié)點設計作為代表。本文選擇帶有CAN控制器的PIC18F2480微處理器作為CAN智能節(jié)點主控芯片，該芯片自帶1路CAN接口，自帶模擬量輸入通道，不需要外圍電路設計就可以實現(xiàn)模擬量的采集，既簡化了電路又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。支架控制器節(jié)點CAN通信硬件原理圖如圖2所示。

微控制器（D1）與CAN收發(fā)器（D3）之間采用雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201ARWZ （D2），有效保證微控制器與CAN收發(fā)器之間的信號及電源隔離，保證煤礦系統(tǒng)的特殊安全要求；同時，在CAN收發(fā)器的輸出端加一個磁珠（L1），以提高CAN信號的抗干擾能力；CAN收發(fā)器采用飛利浦公司的PCA82C250，根據(jù)芯片手冊選擇Rs引腳與地之間的電阻，確定合適的CAN收發(fā)器工作方式，本系統(tǒng)采用差分連接方式，采用雙絞線傳輸，有效控制射頻干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，CAN節(jié)點輸出端設計了一個120歐姆終端電阻，在長距離傳輸時可以減少信號反射干擾。輸出端加入TVS管（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）可以防止外部尖峰脈沖對CAN收發(fā)器的損害，保證系統(tǒng)通信穩(wěn)定。

2 支架控制器CAN節(jié)點軟件設計

2.1 CAN總線節(jié)點應用層報文設計

CAN總線協(xié)議有三層：底層物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。協(xié)議一般規(guī)定物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應用層根據(jù)用戶自行設定。根據(jù)煤礦井下支架操作要求，應用層需要包含以下信息：

1） 支架控制器發(fā)出的命令信息：包括成組數(shù)量、成組操作命令及單架操作等信息。

2） 傳感器傳回的支架狀態(tài)信息：液壓支架壓力、液壓支架推溜距離、采煤機位置信息等。

3） 急停、閉鎖緊急命令信息：緊急情況下主控支架控制器或從支架控制器發(fā)出的急停、閉鎖命令。

應用層傳輸數(shù)據(jù)分為8種信息功能標識（ID10～ID8），通過不同的信息功能標識賦予不同的優(yōu)先權。CAN報文數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

表1 CAN報文數(shù)據(jù)幀格式

[ID10 ～ID8＼&ID7～ID0＼&RTR＼&IDE＼&DLC3～DLC0＼&數(shù)據(jù)區(qū)域＼&CRC＼&ACK＼&功能標識＼&目的地址＼&0＼&0＼&數(shù)據(jù)長度＼&數(shù)據(jù)＼&校驗碼＼&應答信號＼&]

功能標識將應用層傳輸數(shù)據(jù)分為8個優(yōu)先級，目前使用其中的三個優(yōu)先級，急停信號屬于最高優(yōu)先級、控制數(shù)據(jù)是次優(yōu)先級、傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)先級最低，這樣當同時有信號傳輸時，高優(yōu)先級的最先發(fā)送。ID7～ID0為數(shù)據(jù)目的地址，用于指示數(shù)據(jù)的發(fā)送目的地。RTR為遠程發(fā)送請求位，IDE為擴展位標識符，由于本系統(tǒng)是標準CAN協(xié)議，采用標準幀格式，所以默認為0。數(shù)據(jù)區(qū)域存放源節(jié)點地址（1字節(jié)）、急停閉鎖信息（1字節(jié)）、支架控制信息（1字節(jié)）、壓力傳感器數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、行程傳感器數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、紅外傳感器數(shù)據(jù)（1字節(jié)）。因此，數(shù)據(jù)長度為8個字節(jié)，DLC3～DLC0為1000。

將急停閉鎖信息、支架控制信息、傳感器回傳信息賦予不同的優(yōu)先級、達到控制的實時性和可靠性。這樣的設計充分利用了CAN總線非破壞性總線仲裁技術和節(jié)點ID優(yōu)先權，實現(xiàn)不同信息命令的優(yōu)先級發(fā)送，實現(xiàn)了煤礦安全傳輸可靠的要求。

2.2 CAN 總線節(jié)點通信子程序設計

為了便于軟件程序的整體移植和修改，CAN通信軟件設計采用子程序模塊化設計，包括CAN初始化模塊、CAN發(fā)送模塊、CAN接收模塊以及錯誤處理模塊。

CAN初始化模塊主要是對CAN控制器中的寄存器寫入控制字來實現(xiàn)，包括通信速率等，CAN初始化模塊確定CAN控制器的工作方式。其步驟如下：

1） 將寄存器TNIT和CCE位置位；

2） 配置位寄存器確定通信速率；

3） 配置全域的屏蔽寄存器確定濾波方式。

CAN發(fā)送模塊只需要將發(fā)送的信息幀放到CAN發(fā)送緩沖區(qū)，由軟件啟動發(fā)送命令，CAN控制器會自動地將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上，目的地節(jié)點收到信息后做出應答，發(fā)送模塊在規(guī)定時間內(nèi)如果沒有收到應答數(shù)據(jù)，應做出錯誤處理報警。因篇幅有限，錯誤處理模塊不做分析。CAN發(fā)送模塊流程圖如圖3所示。

CAN數(shù)據(jù)接收時CAN控制器會自動地將總線上的數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū)，因此，接收程序只需讀取接收緩沖區(qū)信息幀即可。接收程序可以采用中斷或者查詢的方式，接收完數(shù)據(jù)后將標志位置位，并做出應答，主程序通過標志位和數(shù)據(jù)的內(nèi)容調(diào)用其他處理模塊程序完成對應的功能。CAN接收模塊流程圖如圖4所示。

3 結束語

本文介紹了國內(nèi)幾種液壓支架電液控制系統(tǒng)架間通信方式存在的不足，考慮到井下工作面的分布式控制要求，結合CAN總線技術支持多主和分布式通信的特點，研究了一種基于CAN總線通信網(wǎng)絡的液壓支架控制系統(tǒng)，并對支架控制器CAN節(jié)點的硬件進行了設計；同時，根據(jù)支架控制要求，對CAN總線協(xié)議的應用層報文進行了分類和設計，最后簡單講解了CAN協(xié)議通信的初始化、發(fā)送和接收模塊的軟件設計。通過實驗室及現(xiàn)場實驗，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、能夠達到煤礦實時、可靠的需求。

參考文獻

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[3] 孫曉健，張東來.CAN總線在液壓支架電液控制系統(tǒng)的應用[J].微機算機信息， 2006（06z）：97-98.

[4] 陳琨.基于CAN總線的電液比例系統(tǒng)數(shù)字化管理與控制的實現(xiàn)研究 [D].杭州：浙江大學，2012.