王培恩，霍鵬飛，田慕琴，鄭文強，宋單陽，宋建成

(1.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.山西科達自控股份有限公司，山西 太原 030024)

液壓支架是綜采工作面三機設備中的主要裝備，液壓支架電液控制系統(tǒng)作為液壓支架控制的核心，其智能化程度是實現自動化采煤的關鍵所在[1-3]。根據采煤工藝的要求，對液壓支架的控制不能在本架上進行，只能是鄰架控制，或者是自動跟機控制，因此控制的實施都是基于通訊(架間或集中)的控制。而液壓支架電液控制系統(tǒng)支架多、干擾大，實時性要求高，造成了通信的困難[4，5]，所以其通信系統(tǒng)設計很大程度上影響著綜采工作面設備協同工作能力，進而決定著綜采工作面煤炭開采自動化程度。目前液壓支架電液控制通信系統(tǒng)普遍由CAN總線構建，其多主通信方式及強抗干擾性解決了液壓支架控制器通信中的很多致命問題，但由于CAN總線獨特的“載波監(jiān)聽，多主掌控/沖突避免”(CSMA/CA)的通信模式[6，7]，在多個節(jié)點發(fā)送消息造成總線碰撞時，低優(yōu)先級節(jié)點的消息總是競爭失敗造成低優(yōu)先級節(jié)點的饑餓現象[8，9]，造成數據延時發(fā)送或者丟失，對工作面的正常生產造成影響，甚至發(fā)生重大事故?！睹禾抗I(yè)“十四五”科技發(fā)展指導意見》中提出要有序推進智能化煤礦建設，建立煤礦智能化技術規(guī)范和標準體系。液壓支架電液控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展進程中涌現了多種多樣的智能化功能，如工作面校直找平、采煤機定位技術、礦壓監(jiān)測與頂板災害預警、故障診斷與壽命周期管理等[10]，這些智能化功能的數據傳輸都依托于液壓支架電液控制通信系統(tǒng)，大量的數據使得CAN總線負載率極大提高，低優(yōu)先級節(jié)點饑餓和總線競爭不公平現象愈發(fā)突出，數據傳輸的實時性和可靠性都受到極大影響[11]，所以液壓支架電液控制通信系統(tǒng)的調度策略設計十分必要。

文獻[12]設計了一種基于雙CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)，但沒有對CAN總線調度進行優(yōu)化，總線公平性和實時性不夠好，已無法滿足不斷推進的智能化礦山建設進程。文獻[13]設計了液壓支架動態(tài)優(yōu)先級CAN通信協議，但采用的是發(fā)送失敗一次優(yōu)先級提高一級的簡單方式，對改善液壓支架電液控制系統(tǒng)總線實時性效果有限。文獻[14]提出的速率單調(RM)算法來提高CAN消息實時性，但該算法效果有限。文獻[15]提出的基于TTCAN的動態(tài)更新調度表的方式解決CAN總線的實時性問題，但TTCAN在惡劣環(huán)境下誤碼率高，與標準CAN協議不兼容，井下環(huán)境復雜，液壓支架數量眾多，不適合此方法。

針對現有液壓支架電壓控制通信系統(tǒng)實時性低，總線公平性差，低優(yōu)先級節(jié)點數據一直發(fā)送不出去的饑餓現象，設計了一種基于CAN總線的液壓支架電液控制通信系統(tǒng)動態(tài)調度策略，優(yōu)化了液壓支架電液控制通信系統(tǒng)的實時性和可靠性，改善了低優(yōu)先級節(jié)點的饑餓現象，極大地提高了CAN總線的利用率，為推進智能化無人值守工作面建設打好基礎。

1 液壓支架電液控制通信系統(tǒng)分析

電液控制通信系統(tǒng)網絡結構分為三層，工作面巷道計算機、端頭控制器和支架控制器，他們之間通過總線進行相連[16]。每臺液壓支架配有一臺支架控制器，一個工作面液壓支架數量根據工作面長度不同，一般在100～200架之間，支架控制器之間由架間電纜串接，和端頭控制器通過總線相連，具有動作執(zhí)行、信息采集、故障報警等一系列重要功能，是控制支架實現各種功能的核心部件[17]。每臺支架控制器還有多個傳感器，用來監(jiān)測支架動作執(zhí)行程度及支架狀態(tài)，每四到六個控制器由一個本安電源供電。除此之外由于支架控制器數量眾多，需要增加中繼才能實現全工作面可靠通信。液壓支架電液控制通信系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制通信系統(tǒng)結構

液壓支架電液控制通信系統(tǒng)中的信息主要可以分為以下三個大類：

1)安全信息：急停閉鎖及故障報警信息。安全信息需要及時傳遞給每一個節(jié)點，對實時性和可靠性要求極高，一旦出現消息沖突，要確保安全信息能夠贏得總線競爭。

2)支架控制信息：包括鄰架控制、成組控制、遠程控制、集中控制等控制命令。其中鄰架控制是液壓支架人工操作時的控制方式，鄰架控制實時性要求極高，一旦出現問題將會影響整個工作面的安全生產，且鄰架控制距離近，這種情況更適合點對點直接通信，不適合總線競爭式通訊。成組控制與遠程控制以及集中控制是通過總線通信來實現，屬于比安全信息重要性低一級的信息。

3)智能化功能信息：包括傳感器數據、自動校直信息、采煤機定位信息、狀態(tài)信息以及剩余壽命信息等。這些信息為遠程控制與自動化控制提供依據，是實現自動化無人值守工作面的關鍵所在。智能化功能用到了許多新技術，包括模糊邏輯控制、神經網絡控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法、大數據分析等，由于其對計算能力的高要求，通常由端頭控制器和工作面巷道計算機來實現。通過CAN總線將壓力、傾角、位移傳感器信息傳輸到工作面巷道計算機，數據分析和計算后將調直補償量和自動化控制等信息傳輸回指定控制器實現智能化功能。但由于液壓支架數量多，且智能化功能對傳感器數據實時性要求高，數據傳輸量大，遇到總線沖突的概率更大，容易形成低優(yōu)先級節(jié)點饑餓現象，傳感器數據和采煤機定位信息等數據持續(xù)發(fā)送失敗，沒有數據的支持，端頭和上位機無法對工作面狀態(tài)進行監(jiān)測，智能化功能就無法實現，所以此信息是動態(tài)調度策略的重點。

2 基于EDF的總線調度策略設計

EDF即最早截止期限優(yōu)先，是一種依據任務截止時間來確定任務優(yōu)先級的調度算法。CAN總線采用的是一種多主形式通信，總線上每一個節(jié)點都能取得總線控制權，并向其他節(jié)點發(fā)送數據。當總線上同時有多個節(jié)點向總線發(fā)送消息時，會形成總線沖突，CAN總線會采用非破壞性總線仲裁技術，持續(xù)性的監(jiān)聽總線電平，并不斷向總線發(fā)送要發(fā)送的數據幀的標識符位，總線電平分為隱性電平和線性電平，當兩種電平同時出現時，只會檢測到顯性電平，仲裁時當節(jié)點發(fā)送電平和檢測到的總線電平不同時，就失去總線控制權，其他節(jié)點繼續(xù)上述過程，直至最終剩余一個節(jié)點獲得總線控制權，仲裁結束。所以EDF調度策略的最終實現還是要依靠CAN標識符來實現，CAN標識符的設計至關重要。

2.1 CAN標識符設計

CAN總線的動態(tài)優(yōu)先級調度最終要通過設計CAN數據幀的標識位，也就是CAN數據的ID號來實現。CAN數據幀分為標準幀和擴展幀[18]，本設計采用CAN擴展幀，擴展幀擁有29位標志位，能夠更容易地實現靈活的動態(tài)調度策略，根據液壓支架電液控制通信系統(tǒng)的消息種類和消息特點，將CAN擴展幀ID具體劃分為以下幾段，如圖2所示。

圖2 標識符功能劃分

ID28-26：在液壓支架電液控制通信系統(tǒng)中，存在著與安全有關的一系列信息，包括全工作面急停，以及閉鎖、故障報警等信息，這類信息傳輸一旦出現問題，很有可能威脅井下正常安全生產工作，造成無法挽回的人員損傷和經濟損失，所以一定要將安全類的信息設置為最高等級優(yōu)先級，使其一經出現必能獲得總線控制權。其次是動作控制信息，是保證整個工作面的功能準確執(zhí)行的必要信息，需將其設置為第二等級優(yōu)先級，最后是一系列智能化功能信息，屬于非安全類信息，對實時性的要求不像安全信息和動作控制信息那么高，故這些數據優(yōu)先級設為第三等級。安全等級劃分見表1。

表1 安全等級詳細劃分

ID25-19：這7位為動態(tài)可變優(yōu)先級段，根據CAN總線動態(tài)調度算法，動態(tài)調整其優(yōu)先級，并將計算后的優(yōu)先級映射到擴展幀ID的動態(tài)可變段之上，從而實現CAN總線的動態(tài)優(yōu)先級調度。

ID18-11：這8位ID用于表示發(fā)送消息的目標節(jié)點地址，即目標控制器編號，用于CAN總線節(jié)點消息過濾使用。

ID10-3：這8位ID用于表示發(fā)送消息的節(jié)點地址，用來區(qū)分不同節(jié)點發(fā)送的相同消息，在發(fā)送支架狀態(tài)信息時，能夠獲取支架編號。

ID2-0：保留，當液壓支架電液控制系統(tǒng)功能擴展，分段ID不夠用時，可從這一部分補充使用。

2.2 EDF動態(tài)調度算法設計

電液控制通信系統(tǒng)中由于液壓支架數量眾多，采用主節(jié)點協調調度方式反而會加大難度，支架控制器需要根據自身情況結合總線狀態(tài)判斷消息發(fā)送時機，本設計參考文獻[19，20]中的時間同步方法，將端頭控制器作為時鐘同步節(jié)點，周期性發(fā)送時間同步消息，支架控制器接收到時鐘同步消息后對自身時鐘進行偏差修正，以此達到電液控制通信系統(tǒng)的可靠時鐘同步。整個EDF動態(tài)調度算法可分為兩個部分，節(jié)點內優(yōu)化調度算法和CAN消息發(fā)送算法。

2.2.1 節(jié)點內優(yōu)化調度算法

低優(yōu)先級節(jié)點數據發(fā)送失敗時，數據會暫存在CAN控制器的郵箱當中，支架控制器主控芯片的CAN控制器發(fā)送郵箱占滿，新的數據到來時有兩種處理方式，一種是丟棄新數據，一種是覆蓋舊數據，這兩種方式都是液壓支架電液控制通信系統(tǒng)不希望看到的，我們需要設計消息緩沖區(qū)，當節(jié)點競爭是失敗時，將數據暫存到消息緩沖區(qū)，消息緩沖區(qū)主要用來存放CAN消息內容和CAN消息的優(yōu)先級調度信息。節(jié)點調度模型示意如圖3所示。

圖3 節(jié)點調度模型

CAN優(yōu)先級信息可用以下數組{Ta，Td，TD，Δt，t，IDv}計算，其中Ta表示消息到達緩沖區(qū)時間，Td表示消息的截止期，TD表示消息的截至時間，Δt表示消息發(fā)送剩余時間，IDv表示標識符中的動態(tài)可變段，他們的關系如下：TD=Ta+Td，Δt=TD-t，通過劃分最大截止期時間段，判斷Δt位于第幾時間段，再經過映射關系，得到CAN消息動態(tài)優(yōu)先級可變段的標識符。

節(jié)點優(yōu)化調度算法主要是對新發(fā)送消息進行預處理，節(jié)點優(yōu)化調度算法過程如下：當新消息到達消息緩沖區(qū)時，記錄消息到達時間Ta和消息截止期Td，并根據TaTd計算消息發(fā)送的截至時間，根據消息的截止時間，在消息緩沖區(qū)中的消息隊列進行排序，截至時間越近的消息排序越靠前，并根據排序將新消息插入消息隊列中。在消息隊列中等待總線空閑，使用消息發(fā)送算法對數據進行發(fā)送。

2.2.2 節(jié)點發(fā)送算法

節(jié)點發(fā)送算法主要在消息緩沖區(qū)中選取最近截止期消息，將截止時間轉換為CAN消息標識符動態(tài)可變段，并進行發(fā)送。節(jié)點發(fā)送算法具體過程如下：支架控制器節(jié)點持續(xù)監(jiān)測總線狀態(tài)，數據緩沖區(qū)中有數據，總線狀態(tài)為空閑時，將消息隊列中截止時間最近的消息取出，根據Δt和時間分段映射CAN標識符動態(tài)可變段。當數據發(fā)送成功時，清空CAN控制器的發(fā)送郵箱和消息緩存區(qū)的數據1，將消息隊列中的消息向前移位，然后等待總線空閑，進行下一次數據發(fā)送。數據發(fā)送失敗時，只清空發(fā)送郵箱，不清空消息隊列最高優(yōu)先級消息，并等待總線空閑，重新映射標識符動態(tài)可變段，并進行發(fā)送。節(jié)點發(fā)送算法流程圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點發(fā)送算法流程

3 標識符動態(tài)可變段映射方法

經典EDF算法通過平均分區(qū)的方式將時間軸進行分區(qū)[21]，通過判斷Δt所在區(qū)間映射標識符動態(tài)可變段，若存在消息A和消息B其截止時間為TDA和TDB，且TDA

圖5 冪函數分區(qū)示意圖

由此，標識符動態(tài)可變段可通過區(qū)間范圍與Δt計算，具體計算方法如下：

由上式可得：

將比較得到的x值取整，再按照x值的大小映射到CAN消息標識符的動態(tài)可變段即可。

4 實驗驗證與結果分析

為驗證CAN總線動態(tài)優(yōu)先級算法效果，設計以下實驗，實驗基于煤礦無人值守綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)試驗平臺，CAN總線速率設置為500kbit/s，不斷向端頭控制器發(fā)送不同截止期信息，通過CAN總線分析儀和上位機軟件監(jiān)測報文發(fā)送記錄，調整信息發(fā)送間隔，改變CAN總線負載率，分別記錄10個節(jié)點有CAN動態(tài)調度策略和無調度策略在不同負載率下的效果，經過數據統(tǒng)計后結果見表2。

表2 部分總線報文發(fā)送記錄

根據表2幀ID分析可知，消息的動態(tài)標識符在根據動態(tài)調度策略不斷改變，通信成功率如圖6所示，對比圖6(a)和圖6(b)可以看出未使用動態(tài)調度策略時，高優(yōu)先級的節(jié)點通信成功率普遍高于低優(yōu)先級節(jié)點，在總線負載率高的情況下尤為明顯，節(jié)點1通信成功率接近100%，但節(jié)點10通信成功率甚至不到40%，低優(yōu)先級節(jié)點的饑餓現象尤為明顯。在使用動態(tài)調度策略后，低優(yōu)先級節(jié)點的通信成功率均有大幅提升，但動態(tài)調度策略犧牲了一部分高優(yōu)先級節(jié)點的通信成功率，在調度過程中無法避免，通過分析可得，基于EDF的動態(tài)調度策略有效改善了液壓支架電液控制通信系統(tǒng)低優(yōu)先級節(jié)點的饑餓現象，改善了總線通信的公平性。

圖6 通信成功率

5 結 語

通過分析液壓支架電液控制系統(tǒng)結構和通信系統(tǒng)的消息特點，結合CAN標識符特性和動態(tài)調度算法，設計了基于EDF的電液控制通信系統(tǒng)動態(tài)調度策略。實驗結果表明，該動態(tài)調度策略克服了固定標識符通信方式的不足，能夠有效改善低優(yōu)先級節(jié)點通信的饑餓現象，極大提升電液控制通信系統(tǒng)的公平性，尤其是增強了電液控制通訊系統(tǒng)在高負載率情況下的可靠性，解決了綜采工作面智能化通信數據量增大導致的總線通信延時、錯誤等問題，為液壓支架電液控制系統(tǒng)的智能化打下了堅實的基礎。