電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統研究

張虓, 羅維東

(北京科技大學 機械工程學院, 北京 100083)

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經驗交流

電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統研究

張虓, 羅維東

(北京科技大學 機械工程學院, 北京 100083)

針對電傳動系統運行過程中會產生大量實時數據的問題，對電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統進行了研究。該系統采用分布式CAN總線實現工業現場數據傳輸和鏟運機運行數據采集；以無線通信網絡為傳輸通道，利用TCP/IP異步傳輸原理，通過車載客戶端子系統和服務器子系統實現了車載數據的遠程傳輸。

煤炭開采; 電傳動； 鏟運機； 遠程數據傳輸； 分布式CAN總線； TCP/IP異步通信

0 引言

為了解決危險采場的出礦問題，降低采礦作業危險，遙控甚至無人采礦設備已經成為國內外同行研究的重點[1-2]。隨著電傳動技術的發展，更多的地下采礦設備采用電傳動系統。電傳動系統在運行過程中將產生大量的實時數據，這些數據可用于實時控制、設備優化和維護等。對這些數據進行采集、處理和異地存儲，成為采礦設備自動控制、遠程控制研究必不可少的技術手段。 本文以電傳動地下鏟運機為研究對象，設計了其遠程數據傳輸系統。

1 系統通信結構

本文討論的電傳動地下鏟運機為四輪驅動，柴油發動機輸出的機械能通過交流發電機轉換為電能，經過整流器和逆變器輸入4個輪邊電動機，輪邊電動機將電能轉換為動能，為車輛提供動力。由于鏟運機上采用的電子控制單元數量較多，電傳動系統運行時必須實現各個電控單元間的大量實時數據交換。CAN總線具有結構簡單、數據可靠性高、連接便捷、節點設置不受限制、錯誤檢測能力良好等優點，在車輛控制系統上已經得到了普遍應用[3]，因此采用CAN總線實現工業現場數據傳輸。

為了滿足日常生產的通信需求，地下礦山的巷道中通常鋪設有無線通信網絡，與調度中心的網絡相連。因此，電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統以該無線通信網絡為傳輸通道，以TCP/IP協議作為通信協議，利用Socket網絡編程技術，實現電傳動地下鏟運機運行數據的遠程傳輸和實時監控。系統通信結構如圖1所示。

圖1 系統通信結構

根據作用的對象不同，電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統分成了2個子系統：車載客戶端子系統和遠程服務器子系統。車載客戶端子系統主要負責發送實時運行數據和接收操作臺指令，并將控制指令發送給主控制器；遠程服務器子系統負責接收運行數據，解析處理數據和發送操作臺指令。由于系統需要監控的數據量較大，為了保證數據通信的可靠性和實時性，系統采用異步TCP通信方式[5-6]。

2 分布式CAN總線網絡

由于電傳動控制系統復雜性較高，控制對象在結構上相對分散，所以，按照功能將整個控制系統分成若干子系統，形成分布式控制結構[4]。分布式CAN總線結構如圖2所示。

圖2 分布式CAN總線結構

CAN總線網絡以電傳動地下鏟運機的主控制器為核心，分為4路CAN網絡拓撲，采用主從式通信模式。CAN1為柴油發動機控制網絡，主控制器直接與柴油發動機的電控單元(Electronic Control Unit, ECU)進行通信，遵循SAE J1939協議；CAN2為車輛動力控制網絡，主控制器對包括勵磁控制器、斬波制動控制器和輪邊牽引電動機逆變器進行控制；CAN3為輔助控制網絡，主控制器對鏟運機鏟裝機構的液壓控制器、顯示屏、儀表等進行控制；CAN4為數據傳輸網絡，主控制器將其他網絡采集的實時數據傳輸至車載計算機。為了提高每個網絡數據傳輸的抗干擾性和可靠性，在各網絡的終端加入120 Ω的終端電阻。

根據工程經驗，CAN總線網絡的通信波特率采用250 kbit/s可以滿足通信需求。為了保證CAN總線通信暢通，總線占用率最好保持在33%～66%。根據位填充技術，數據幀m的最壞總線占用時間Cm為

(1)

式中：dm為數據域字節數，該通信協議下最大為8；τbit為位時間,在250 kbit/s波特率下為0.004 ms。

由于CAN2運行時所產生的數據量最大，為了統一網絡協議標準，其他網絡的通信周期以CAN2為標準，則CAN2中全部數據幀的最壞總線占用時間之和約為10.5 ms。因此，可選取的通信周期為15～30 ms。根據主控制器工作周期，本文選取25 ms為CAN總線通信周期。

由于各個控制器的啟動時間不同，尤其是車載計算機的啟動時間晚于其他控制器，為了保證車載運行數據的完備性，設計了啟動后的握手檢驗系統。主控制器啟動后不斷向其他控制器發送握手信號，其他控制器收到握手信號后向總線發送握手反饋信號，主控制器收到全部握手反饋信號后，跳出握手檢驗系統，開始執行行車控制。

3 系統設計

3.1 車載客戶端子系統

車載客戶端子系統將CAN總線傳來的實時數據簡單處理后進行本地存儲，通過無線通信網絡與調度中心數據服務器進行遠程數據交互；同時解析操作臺的控制指令，通過CAN總線將控制指令發送到主控制器。車載客戶端子系統軟件流程如圖3所示。

3.2 遠程服務器子系統

遠程服務器子系統主要由2個部分構成，第1部分的作用是接收車載客戶端子系統發送的數據并進行解析，將駕駛員所要了解的車輛信息(如車速、發動機轉速、檔位狀態等)顯示出來，并將解析后的數據存入調度中心的數據庫；第2部分的作用是響應操作臺控制器采集到的控制指令(手柄、踏板等)，

(a)第1部分(b)第2部分

圖3 車載客戶端子系統軟件流程

并向車載客戶端子系統發送控制指令。遠程服務器子系統軟件流程如圖4所示。

(a) 第1部分

(b) 第2部分

3.3 數據通信校驗

為防止網絡不穩定導致數據錯誤，在客戶端與服務器的通信中加入校驗信息。當車載實時數據被解析并封裝成數據包準備發送時，待發送數據包就是一個包含有用數據的數組。對數組中的值進行循環冗余校驗(CRC)，得出CRC值，再將CRC值附到數據包后進行發送。

服務器收到數據后提取出CRC值，并對數據包中的內容進行校驗，再將得出的值與收到的CRC值進行比對。若兩值相等，則說明數據可信，該包數據會被系統解析，并存儲及顯示；若兩值不相等，則說明數據傳輸有誤，直接舍棄該包數據并等待下一包數據。客戶端數據校驗原理類似。客戶端和服務器數據包結構如圖5所示。

(a) 客戶端

客戶端和服務器發送的數據包分別以相應的起始標志符開始，隨后依次為數據發送時間、數據長度、數據區和校驗區，最后以終止標志符結束。各區域間用“ ; ”分隔，數據區各數據之間用“ , ”分隔。

4 結語

電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統采用分布式CAN總線結構,利用TCP/IP異步傳輸原理實現了實時數據遠程傳輸功能。分布式CAN總線結構具有很高的可靠性，可以有效采集實車運行數據,利用TCP/IP異步傳輸原理進行數據遠程通信具有可行性。

[1] 戰凱,顧洪樞,周俊武,等.地下遙控鏟運機遙控技術和精確定位技術研究[J].有色金屬,2009,61(1):107-112.

[2] 高夢熊.國內外地下金屬礦山采礦車輛的現在與未來[C]//中國礦業科技大會論文集,蘇州,2010:43-64.

[3] 楊超,劉立,陳樹新,等.基于CAN總線的地下鏟運機遙控系統的研究[J].礦山機械,2011,39(3):30-32.

[4] 鐘恒.多輪電傳動車輛控制方法的研究[D].北京:北京科技大學,2012.

[5] 徐小東.基于socket技術的數據交換平臺的設計與實現[D].上海:上海交通大學,2006.

[6] 張允剛,劉常春,劉偉,等.基于Socket和多線程的遠程監控系統[J].控制工程,2006,13(2):175-177.

Research on remote data transmission system of underground electric drive scraper

ZHANG Xiao， LUO Weidong

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In view of problem that a large amount of real-time data will be generated during operation of electric drive system, remote data transmission system of underground electric drive scraper was studied. The system uses distributed CAN bus to realize industrial field data transmission and operation data collection of scraper, takes wireless communication network as transmission channel, adopts principle of TCP/IP asynchronous transmission, and realizes onboard data remote transmission by onboard client subsystem and server subsystem.

coal mining; electric drive; scraper; remote data transmission; distributed CAN bus; TCP/IP asynchronous communication

1671-251X(2016)11-0064-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.015

張虓, 羅維東.電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統研究[J].工礦自動化，2016,42(11)：64-66.

2016-04-26；

2016-09-20；責任編輯：胡嫻。

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2011AA060408)；國家科技支撐計劃項目(2013BAB02B07)。

張虓(1986-)，男，河北石家莊人，博士研究生，主要研究方向為電傳動礦用車輛行駛控制策略及運行數據分析等，E-mail:zhangxiao_miracle@126.com。

TD655

A

時間：2016-10-28 16:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1629.015.html