關于礦用掘進機CANOpen總線通訊系統設計

李養明

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033000）

0 引 言

掘進機是煤礦井下進行掘進工作的重要設備，能夠實現破煤、裝載、轉載、運輸、行走等巷道掘進作業。根據掘進機的工作性能，可將其分為部分斷面和全斷面掘進機。部分斷面掘進機也被稱為礦用掘進機，在小型煤礦巷道開采中應用更為廣泛。礦用掘進機電控系統是控制系統的核心，采用CANOpen總線的設計能夠使整個電控系統更加模塊化，并且也更可靠穩定。

本文對礦用掘進機電控系統設計中的CANOpen通訊部分開展了研究，對CANOpen總線在本次設計中的架構、硬件、軟件實現方面進行了設計，該研究對于礦用掘進機電控系統實現CANOpen通訊具有重要的指導意義。

1 CANOpen總線通訊特點分析

CANOpen是在CAN總線設計的基礎上被廣泛使用的應用層協議，占據主導地位，目前，在CANOpen協議當中，每一個設備都進行了設備描述，定義了對應標準下設備的功能，因此，使用CANOpen協議就可以很方便對不同廠家的不同功能的設備完成配置。

CANOpen采用的是SDO和PDO兩種報文方式進行傳輸。其中SDO傳輸的數據優先級別較低，主要功能是對每個設備實現配置和管理；而PDO報文方式傳輸的數據優先級較高，傳輸的數據使用頻次較高。PDO進行數據傳輸時，需要發送方和接收方預先定義好區域，用來發送和接收數據，無需采用普通的問答管理方式，這樣使得通訊效率大大提高，總線的利用率也大大增加。

在CANOpen總線通訊中，對象字典用來通訊，是節點設備的核心，各個設備都含有特定的對象字典，表征了在網絡當中的各個參數。每一個對象都需要通過16位的索引值和一個8位的子索引完成尋址和訪問數據結構中的需要找尋的元素。

2 CANOpen總線通訊硬件系統設計

礦用掘進機電控系統所設計的CANOpen通訊系統的硬件主要包括電控箱和操作箱兩部分，中間有雙絞屏蔽線，如圖2所示。電控箱內包含有電源模塊、分布式I/O、IC控制器、光耦隔離中繼模塊等，操作箱內包括遠程DI、顯示屏和光耦隔離中繼模塊等，其中光耦隔離中繼模塊的作用是保護所有設備的通訊口。

圖1 礦用掘進機CANOpen通訊架構圖

2.1 光耦隔離中繼模塊

電纜通訊設備的使用環境惡劣，其通訊口常常會損壞，設備停止運行，嚴重影響了煤礦的正常生產，因此通訊口必須要進行保護。安裝光耦隔離中繼模塊的作用有以下兩方面：

1）由于通訊電纜會經過隔爆箱體，而在其內部安裝有大量高電壓等級的動力線，以及變頻器和變壓器等具有強信號干擾的電磁設備，并且受箱體內空間的限制，通訊電纜與這些設備往往不能保持合適的距離，因此通訊電纜常常會受到干擾。

2）由于煤礦井下安裝有數量極多的變頻設備，會影響電網的穩定性，因此，需對其電網的質量進行保證。

2.2 分布式I/O模塊

選用Wago分布式的現場總線I/O系統，其現場總線節點包括現場總線適配器、現場總線模塊和終端模塊。現場總線適配器和現場總線模塊之間通過物理接口完成通訊，現場總線適配器需要供電終端能夠供給電壓均為24V的系統供電和現場側供電。

現場總線適配器還能與I/O功能模塊包括各種數字量和模擬量模塊，具有某些特定功能的總線模塊之間進行連接，并且通過內部總線進行數據和信息的交換。

Wago分布式I/O模塊具有以下特點：①模塊化設計，適應性強；②通過卡扣彈簧實現自動連接，可靠性強；③專用數據總線進行內部通訊，電位自行分布。

2.3 顯示屏

選用車載專用的顯示屏，A8結構的CPU，256MB的存儲，10.4寸大屏幕，處理速度快，運行流暢；包括兩路能夠支持CANOpen的CAN接口，可以同時進行兩個視頻信號的輸入以及多個監控畫面的監視；工作溫度范圍較寬，從零下20℃到零上70℃，并且機身采用金屬結構，具有良好的散熱性能；抗信號干擾能力強，電源和串口采用的是雙隔離的電路方式，可靠性高，適應能力強。

3 CANOpen總線通訊軟件系統設計

礦用掘進機電控系統采用Inter Control控制器，因此其CANOpen通訊包含有自由編程和固定編程兩種方式。自由編程與固定編程方式相比，具有擴展性好，可以添加的網絡節點個數和主節點能同時發送和接收的PDO數據個數都要多得多，并且沒有局限性，因此本次設計采用自由編程的方式。

CANOpen控制器的程序主要包括八個步驟，即添加節點，啟動各個節點檢測，等待節點都能收到主節點配置，等待與操作、初始化SDO參數，發送SDO參數，等待節點都能收到主節點配置，檢測節點狀態，運行，如圖2所示。每一個CANOpen模塊中都有PDO通訊參數，而控制器需要對這些PDO通訊參數進行配制，配置流程如圖3所示。

圖2 控制器CANOpen程序流程圖

圖3 CANOpen模塊的PDO通訊參數配制流程圖

3.1 SDO配置

在主控程序中，需要發送SDO命令，在這個環節中需要對每一個模塊進行配置。首先是TxPDO和RxPDO，TxPDO是發送到總線端的顯示屏上顯示和實時傳輸的數據，數量為16個；RxPDO是用來接收遠程DI模塊和分布式I/O模塊兩個模塊的數據，并且數量分別為1個和8個。對TxPDO和RxPDO進行配置的方式也不一樣，針對控制器內數據字典分別為1800H-180FH以及1400H-1408H和1600H-1608H，同時還需要配置或者初始化COB-ID和數據類型等參數。

另外就是遠程DI的配置，主要包含6005中斷和TxPDO的循環發送時間兩個量的配置，該模塊能夠檢測到24路開關的數據量，同時只需要向總線端發送出僅僅一個TxPDO即可。

3.2 分布式I/O配置

分布式I/O模塊的配置較為靈活，根據使用的模塊配置也不盡相同。本次設計采用了5個4通道的0-10V的和1個RTD共6個模擬量輸入模塊。下面對各個模塊的配置進行詳細說明：

1）分布式I/O間隔模塊。數據字典為4500H，索引號均為16#4500，子索引代表的是插入的模塊數量，這里配置的子索引號為01到06，寫入值均為16#000080A2，數據長度均為2字節，代表每通道的模擬量輸入模塊。

2）TxPDO的配置。數量為8個，數據字典為1800H到1807H，在配置模塊的抑制時間的時候，需要去除掉4個COB-ID，將01號子索引數據的第31位的數字重置為0。

3）抑制時間配置修改。各個PDO都有一個抑制時間，如果同時向總線發送數據，就會造成總線數據量的擁堵，所以必須對數據字典中相對應的抑制時間的位置進行修改，錯開各個抑制時間，避免同時發送。然后更新COB-ID配置，修改數據字典中對應的位置，就可以進行數據發送了。

通過以上對CANOpen模塊中各節點的配置，就能夠和總線之間進行數據的發送和接收，完成總線通訊以及參數數據的傳輸。

4 結 論

結合掘進機電控系統中CANOpen通訊部分的性能特點，對其進行總體設計研究，分析了CANOpen通訊的特點，詳細分析了CANOpen總線協議的核心數據字典，硬件部分設計了礦用掘進機電控系統的CANOpen通訊的總體架構圖，介紹了光耦隔離中繼模塊、分布式I/O模塊和顯示屏的選型和特點，軟件部分設計了CANOpen通訊編程的總體步驟及模塊參數配置的流程，對SDO和分布式I/O模塊中的數據字典的參數配置進行了詳細說明。該研究對于礦用掘進機電控系統實現CANOpen通訊具有重要的指導意義。