CAN總線在石油修井機上的應用

張 斌，殷佳琳，田 程，馬太清

（1.四川工程職業技術學院 電氣信息工程系，德陽 618000；2.寶石機械成都裝備制造分公司，成都 610051）

0 引言

石油修井機是由一臺或兩臺動力機驅動絞車和轉盤，絞車用動力機、絞車、井架等均安裝在汽車載重底盤、專用底盤或牽引式底盤上的石油修井裝置[1]。

在油田上廣泛使用卡特彼勒發動機或康明斯發動機作動力機，使用艾里遜傳動箱或國產的凱星傳動箱進行動力傳遞。在汽車行走時，發動機的動力經過傳動箱傳送到底盤，驅動車輛行走；在修井機作業時，通過切換裝置，發動機的動力經過傳動箱傳送到作業臺上，可以進行立井架、驅動絞車或轉盤等修井作業。在駕駛室、井口作業平臺都需要對發動機油門位置、傳動箱的換檔進行操作；傳動箱的工況也要與發動機的工況進行匹配。整個控制系統如果用傳統的方式進行控制，傳遞各種命令和交換信息，會在汽車底盤和工作臺上布置很多控制線纜。在油田井場及車輛行駛過程中工作條件惡劣，可能會使各種命令及信息交換的可靠性降低。

用總線進行數據的傳遞可以減少布線，并且能提高系統的可靠性，CAN總線是汽車上廣泛使用的一種總線。卡特彼勒發動機的控制器和艾里遜傳動箱控制器均是具有CAN總線功能。組建一個CAN總線網絡，不僅可以減少整個控制系統的布線工作，而且能提高信息交換的可靠性，保障整個控制系統的可靠工作。

1 CAN 總線簡介

新型的串行現場總線—控制器局域網，目前廣泛應用于汽車控制與通信系統，同時也在其他工業領域得到廣泛應用[2]。

CAN總線技術針對不同的功能和應用，有多種汽車網絡標準，美國汽車工程師協會（SAE）將汽車數據傳輸網劃分為A、B、C三類。A類是面向傳感器/執行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率小于10kbps，如電動窗、燈光等控制；B類是面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，位速率一般在10-125kbps，主要用于車身電子舒適模塊、儀表顯示等；C類是面向高速、實時控制的多路傳輸網，位速率在125kbps-1Mbps，主要用于發動機、變速箱等動力、傳動系統。

SAE J1939是一類專門用于卡車、大客車、建筑機械、農業機械等的CAN總線通信協議，波特率可達250kbps，是一種傳輸速率較高的C類通信網絡協議。它以CAN 2.0B為基礎，定義了網絡層和應用層的協議，SAE J1939的分層結構如圖1所示。

圖1 SAE J1939分層結構與OSI七層模型

2 CAN 總線在修井機上的具體應用

2.1 系統總線拓撲結構

在油田的修井機上選用具有CAN總線控制功能的卡特發動機（或康明斯發動機）和艾里遜傳動箱，發動機的控制器與傳動箱的控制器通過CAN總線互相傳遞信息，在發動機控制臺和駕駛室安裝有監控發動機轉速的帶CAN總線功能的儀表，整個系統的總線拓撲結構如圖2[3]所示。

圖2 修井機CAN總線拓撲結構圖

CAN總線使用屏蔽雙絞線，屏蔽層直接與汽車底盤的電瓶的負端連接。在總線的主干兩端需要連接120歐姆的終端電阻。

2.2 連接器[3]

有兩類連接器，九芯的連接器用于診斷接口，三芯的連接器用于控制器、終端電阻等，如圖3所示。

圖3 艾里遜CAN總線連接器

表1 艾里遜三芯連接器引腳定義

表2 九芯連接器引腳定義

正常狀態下，當CAN-H和CAN-L均為2.5V左右，表示邏輯1，稱為隱性，當CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V時，稱為顯性，表示邏輯0。

2.3 傳遞的主要數據信息[3]

艾里遜傳動箱的控制器（Commercial Electronic Control 2,CEC2）與發動機、儀表之間主要進行一些廣播信息和接收數據。

CEC2廣播有以下參數群：PGN00000(轉矩/速度控制1,TSC1)、PGN59904 (請求)、PGN61440(電子減速器控制器1,ERC1)、PGN61442(電子傳動箱控制器1,ETC1)、PGN61445(電子變速控制器#2,ETC2)、PGN65098(電子變速控制器#7,ETC7）、PGN65272(變速器油液)等。包含變速器控制模式、轉速、轉矩、換檔情況、機油溫度等信息。

CEC2接收的數據有以下的參數群：PGN60160（傳輸協議-數據傳送，TP.DT）、PGN60416（傳輸協議-連接管理，TP-CM）、PGN61441（電子制動控制器1，EBC1）、PGN61443（電子發動機控制器2，EEC2）、PGN61444（電子發動機控制器1，EEC1）、PGN65262（發動機溫度）等。包含發動機控制方式、轉速、轉矩、油門位置、溫度等信息。

2.4 系統工作控制過程

在駕駛室內安裝一只選擇開關，可以選擇駕駛室操作還是修井機作業平臺操作；有操作機構將傳動箱的輸出切換到臺下行車或臺上進行修井作業。在駕駛室和作業平臺上均裝有換檔開關和油門操作機構。

1）駕駛室的操作

將駕駛室內的選擇開關置于“臺下”位置，該信號送進傳動箱的控制電腦，并將傳動箱的輸出轉換到臺下。駕駛室行車可實現自動換檔。

駕駛室的換檔開關有倒檔“R”、空檔“N”、前進檔“D”三個選擇，在換檔開關上可以設置前進檔換檔的范圍（1-6）。檔位選擇信息送進傳動箱的控制電腦。

在起動發動機時，將換檔開關置于空檔“N”，該信息送進傳動箱控制電腦，再通過CAN總線傳輸到發動機控制電腦，如果換檔開關未置于空檔，發動機不能起動。

需要車輛前進時，換檔開關選擇前進檔“D”，此時換檔開關的顯示器會顯示數字“6”，表示車輛在1、2、3、4、5、6檔可以自動切換；可以調節顯示器上的數字，改變車輛前進中可以自動換檔的范圍，比如將顯示器的數字設置為3，表示在行駛過程中，可以在1、2、3檔進行換檔。發動機的控制電腦將發動機的轉速及油門位置信號通過CAN總線傳送給傳動箱的控制電腦，踩下油門踏板，當發動機轉速達到1900r/min時，傳動箱控制電腦會控制換檔電磁閥組，檔位由1檔變為2檔，如果發動機轉速一直保持在該轉速以上，則傳動箱會升到設定的最高檔。當松開油門踏板，發動機轉速自動降下來，檔位也依次可以降下來。

倒車時，將換檔開關置于倒檔“R”，傳動箱控制電腦會控制換檔電磁閥組，使傳動箱處于倒檔工作狀態。

整個工作過程中，發動機與傳動箱控制電腦間的信號傳遞如圖4所示。

圖4 發動機與傳動箱控制信號傳遞示意圖

2）作業平臺的操作

當修井機在井場就位后進行修井作業時，需要在作業平臺進行操作。首先將駕駛室內的切換開關置于“臺上”位置，并將傳動箱的輸出切換到臺上。在作業平臺只能實現手動換檔。

2.5 實際應用中遇到的問題

該CAN總線網絡系統廣泛應用在中國石油川慶鉆探工程有限公司的各修井隊的修井機上。這些修井機配置艾里遜傳動箱與卡特發動機。在使用中曾經遇到以下的問題。

1）在行車過程中只有一個檔位，不能進行換檔

一臺XJ120修井機在前往平樂12井的途中，駕駛員反映行車只有一個檔位。在修井機到達井場就位以后，我們進行了檢測。在作業平臺上可以進行正常的換檔，說明換檔電磁閥組及液壓回路工作正常，但在臺下駕駛室進行操作時，傳動箱不能換檔，只有一個檔位。駕駛室的換檔是靠發動機轉速達到一定值后自動進行升檔，懷疑發動機轉速未達到換檔點的轉速。通過CAN網絡的診斷接口，連接到PC機，在診斷軟件上觀測傳動箱的工作情況，在平臺上操作能進行手動換檔，各傳感器信號正常，在駕駛室進行換檔操作時，發現發動機轉速達到2000r/min，但檔位并沒有升高，一般情況下發動機轉速達到1900r/min時就可升檔，檢查外圍電路及CAN總線網絡，均未發現問題，懷疑是換檔點的發動機轉速設置過高。調整油門位置，發現當轉速達到2100r/min時，可以進行換檔。

該修井機配置的是C9卡特發動機和艾里遜6000系列的傳動箱。經向艾里遜公司咨詢，6000系列的傳動箱應用在工程設備上，自動換檔時發動機轉速一般設置在2000r/min左右，它不同于應用在公路運輸的3000/4000系列的艾里遜傳動箱，自動換檔時發動機轉速一般設置在1600r/min左右。在修井機的行車途中，駕駛員一般不會把發動機的速度加到2000r/min,特別是在山路上行駛時，所以駕駛員經常會反映行車時只有一個檔位。

經與艾里遜公司協商，通過CAN網絡接口，將自動換檔時發動機的轉速設置為1900r/min。

2）在行車過程中，只能在1、2檔切換，不能升到更高檔位

一臺XJ120修井機在前往蓮花000-1井的途中，發現行車只有兩個低速檔，不能換到更高的檔位。經檢查，在作業平臺能進行正常的換檔，說明電磁閥組及液壓回路工作正常。通過CAN網絡診斷接口，連上PC機進行檢測，顯示駕駛室換檔器有故障，將臺上的換檔開關換到駕駛室，發現故障依然存在。檢查換檔開關到傳動箱控制電腦之間的線束，發現一根信號線引腳脫焊。將該信號線引腳焊接好，故障排除。

3 結束語

在修井機上利用CAN總線交換信息，該網絡系統也可應用到配置有艾里遜傳動箱和卡特發動機的車載鉆機及大型的公交車上，減少車輛的布線，提高系統的可靠性。

[1] 中華人民共和國石油天然氣行業標準[S], SY/T5202-2004 石油修井機.

[2] 羅峰, 孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用[M].電子工業出版社, 2010.

[3] CEC2 SAE J1939 COMMUNICATION, Allison Transmission Datalink Communications, October 2006.