雙CAN的液壓支架控制系統(tǒng)的設(shè)計問題探討

第一作者：葛德武，1985年，男，甘肅慶陽，助理工程師，湖南科技大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，研究方向機械制造

摘要：為了提高在礦井下工作的液壓支架控制系統(tǒng)的可靠性和實時性，作者采用雙CAN總線通信，根據(jù)支架系統(tǒng)的工作要求對總線上的數(shù)據(jù)分為鄰架操作和輪詢兩種，并且分兩個不同通道傳遞，在總線出現(xiàn)故障時實現(xiàn)通道的自動切換。在CAN應(yīng)用層協(xié)議、系統(tǒng)的雙CAN通信結(jié)構(gòu)以及通信軟件和控制器節(jié)點的硬件設(shè)計上充分考慮系統(tǒng)的實時性能和可靠性能并取得良好效果，為雙CAN的設(shè)計應(yīng)用和液壓支架控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的性能提高給出一個新的設(shè)計思想。

關(guān)鍵詞：雙CAN總線；液壓支架；通信；實時性；可靠性：報文

中圖分類號：ＴＰ２７３’．５ 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 引言

由幾十、上百甚至幾百臺支架組成的綜采面液壓支架系統(tǒng)是實現(xiàn)綜采T作面高產(chǎn)的安全防護的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，由于礦井的環(huán)境十分惡劣且支架節(jié)點數(shù)量多，控制系統(tǒng)必須具備高的實時性和可靠性，而動作命令和其他參數(shù)數(shù)據(jù)都是通過總線傳遞給執(zhí)行架的，這就要求支架控制器之間的通信具有高的實時性和可靠性[1]。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)實時性和可靠性要求分析

煤礦生產(chǎn)工作面環(huán)境惡劣，有強電磁場、高酸性的高濕空氣、煤塵和巖石以及狹小的作業(yè)空間等都對支架的可靠運行構(gòu)成威脅，除了在支架本身和液壓系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施外，控制器必須有高的可靠性并且滿足安全要求；綜采面工作時，液壓支架根據(jù)采煤的需要不斷地調(diào)整位姿，任何一個動作延時或不動作都可能對設(shè)備和人員造成傷害，所以液壓支架系統(tǒng)必須具有高的快速響應(yīng)，這不僅要求液壓系統(tǒng)相應(yīng)速度快，控制器也必須有高的實時性。所有命令和參數(shù)都必須經(jīng)過總線傳遞，所以系統(tǒng)對通信的實時和可靠性要求很高。

2.2 節(jié)點硬件設(shè)計

節(jié)點硬件采用基于LPC2290的工業(yè)級微控制器，帶2路CAN控制器，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，CAN和控制器引出端通過高速光耦Pll3與總線驅(qū)動器TJAl050相連，很好的實現(xiàn)了總線上各CAN-bus節(jié)點間的電氣隔離。根據(jù)安全要求，控制器采用12V隔離防爆電源并分組供電，6個控制器為一組，由一個獨立的電源供電，采剛密封的防爆控制箱體屏蔽干擾的同時，可以防止控制器遭受機械損傷。

2.3 節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用了μCOS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)分為顯示、鍵盤、通信、輸出、數(shù)據(jù)采集／處理和監(jiān)控任務(wù)，由于篇幅有限，不做詳細介紹。需要指出的是，在切換到通信任務(wù)時不使用任務(wù)級的任務(wù)切換而使用中斷級任務(wù)切換，使通信數(shù)據(jù)及時發(fā)送，這樣設(shè)計使得控制命令第一時間得到發(fā)送和接受，提高動作的實時性[2]。為提高可靠性，在程序中定期刷新中斷使能標(biāo)志的設(shè)置，使中斷不被掛起，定期刷新輸出，使輸出具有一定的抗干擾能力。

3 通信設(shè)計

3.1 報文設(shè)計

(1)單架單動時操作架發(fā)送操作命令給動作架。(2)成組動作時操作架發(fā)送的成組動作命令、成組數(shù)量和成組架號及方向等參數(shù)。(3)采煤機經(jīng)過的支架把采煤機位置廣播所有節(jié)點控制器。(4)急停、閉鎖支架把本架ID標(biāo)志符廣播所有節(jié)點控制器。(5)新加入的支架控制器廣播支架ID標(biāo)志符。為提高系統(tǒng)的實時性，充分利用CAN總線的節(jié)點ID的優(yōu)先權(quán)和總線報文非破壞性仲裁技術(shù)，設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)幀格式的鄰架操作數(shù)據(jù)幀(報文)結(jié)構(gòu)如表l。

按照操作命令的不同將信息類別劃為8種類型，分別具有不同的總線優(yōu)先權(quán)，在CAN總線系統(tǒng)中，當(dāng)同時有多個節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，具有最高優(yōu)先權(quán)的報文將取得發(fā)送權(quán)。標(biāo)識符ID0~ID7定義為目標(biāo)節(jié)點地址，其中定義ID0~ID7=00011000為廣播地址。支架狀態(tài)數(shù)據(jù)是操作架對其他各架的狀態(tài)進行輪詢以及參數(shù)設(shè)置，以便操作者知道其他各架的信息，及時對工作異常的支架進行處理，其報文設(shè)計類似，這里不做詳細介紹。

3.2 雙CAN通信設(shè)計

本系統(tǒng)的兩路CAN總線，在正常情況下兩路CAN同時工作，一路用于鄰架操作，一路用于輪詢，當(dāng)一路總線出現(xiàn)故障時，此路總線自動關(guān)閉并切換到另一路CAN總線，當(dāng)故障總線恢復(fù)時，默認該總線上傳遞的數(shù)據(jù)將重新同到該總線上傳遞。假設(shè)單個CAN控制器總線系統(tǒng)的可靠度為，則雙CAN控制器器總線系統(tǒng)的可靠度為：，定義平均無故障間隔時間，則單個CAN控制器總線系統(tǒng)平均無故障間隔時間：；雙CAN控制器總線平均無故障間隔時間計算為：。經(jīng)過比較可得，即使用雙CAN比單個CAN總線通信的平均無故障時間增加了一半，由此可見，系統(tǒng)通信的可靠性有了明顯的增加。

3.3 節(jié)點通信任務(wù)設(shè)計

從節(jié)點的通信流程圖可以看出，CAN初始化和通信測試在主程序中實現(xiàn)，CAN初始化設(shè)置波特率，數(shù)據(jù)幀格式等，總線故障時由CAN控制器自動產(chǎn)生中斷，通信出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警，故障排除后報警取消。正常通信時，兩個CAN擁有不同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)有一個CAN總線通道山現(xiàn)故障時，有故障的CAN將借用正常的CAN的緩沖區(qū)，等恢復(fù)正常時回到原來的緩沖區(qū)。在系統(tǒng)中，通信作為一個實時性高的任務(wù)，應(yīng)具有高的優(yōu)先級，并且提高可靠性能，在執(zhí)行架收到命令數(shù)據(jù)時給發(fā)送命令的節(jié)點一個應(yīng)答，這樣當(dāng)操作節(jié)點沒有接收到應(yīng)答時將重新發(fā)送命令，這樣可以避免數(shù)據(jù)在發(fā)送、傳輸和接收過程受到干擾而沒有被正確接收到。

4 結(jié)論

采用獨特的雙CAN總線通信并根據(jù)工況要求設(shè)計的報文提高了液壓支架電液控制系統(tǒng)通信的實時性能，雙CAN設(shè)計和節(jié)點硬件設(shè)計提高了系統(tǒng)得可靠性能，本文給出的設(shè)計方法給液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)和雙CAN通信提供新的設(shè)計參考。

參考文獻：

[1] 王亞軍. 改進液壓支架在控制系統(tǒng)中的幾點建議[J]. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟， 2010，(1).

[2] 蔡曉巍， 劉國平， 張軍彥. CAN總線在液壓支架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 機電技術(shù)， 2009，32(1).