液壓支架電液控制系統(tǒng)總線通信故障檢測與診斷方法

楊永鍇， 張敏龍， 許春雨， 宋建成， 田慕琴， 宋單陽， 張曉海， 聶鴻霖

（1. 太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯(lián)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. 晉能控股裝備制造集團金鼎山西煤機有限責任公司 支架制造分公司，山西 晉城 048006）

0 引言

隨著液壓支架電液控制系統(tǒng)智能化進程的不斷推進，通信系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性對于保障工作面高效穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)具有重要意義[1]。《煤炭工業(yè)“十四五”科技發(fā)展指導意見》提出要有序推動智能化礦山建設。目前綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)涌現(xiàn)出了多種多樣的智能化功能，如采煤機定位、礦壓監(jiān)測與頂板災害預警、故障診斷與壽命周期管理等，這些智能化功能的實現(xiàn)均依賴于電液控制系統(tǒng)的通信總線傳輸數(shù)據(jù)[2]。因此，液壓支架電液控制系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性直接影響整個綜采工作面的智能化程度[3]。

現(xiàn)有的液壓支架控制系統(tǒng)普遍采用CAN 作為通信總線，針對永久性故障節(jié)點實施故障封閉處理方式，解決了通信系統(tǒng)的故障信息通信沖突問題[4]。但由于CAN 總線通信的多主結構，當網(wǎng)絡中某一臺支架控制器由于通信硬件受損或受外界干擾從總線上“掉落”時，總線上其他設備之間通信并不會受到影響，采用CAN 總線通信的電液控制系統(tǒng)不會對該控制器的“掉落”現(xiàn)象及時做出反應，也不能對該故障準確定位并及時處理，可能導致工作面生產(chǎn)的安全事故[5]。因此，研究CAN 總線通信故障檢測和診斷方法具有重要的現(xiàn)實意義。

國內外學者針對CAN 總線故障檢測技術做了許多有益的探討。文獻[6]設計了一種便攜式CAN 總線分析設備，能夠快速定位故障節(jié)點，方便井下排查故障信息，具有很高的可靠性。文獻[7]設計了大數(shù)據(jù)故障診斷引擎，通過對各類數(shù)據(jù)的采集與分析，對故障類型進行匹配，實現(xiàn)了對故障的精準識別與定位。文獻[8]針對基于CAN 總線的支架電液控制通信系統(tǒng)，提出通信網(wǎng)絡透明化設計方案，能夠將通信網(wǎng)絡的實時性能及故障信息可視化地呈現(xiàn)給用戶。

盡管國內外學者就CAN 總線故障檢測方法進行了深入研究，但是在故障檢測的實時性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和故障診斷的準確性方面還存在問題。本文根據(jù)綜采工作面通信技術要求，設計CAN 總線通信系統(tǒng)故障保護電路，研究基于CAN 總線通信協(xié)議融合令牌環(huán)網(wǎng)的故障診斷方法，并提出面向全工作面的故障預警方法。該方法將令牌環(huán)網(wǎng)傳送信息所具備的可調整性和確定性結合到液壓支架總線通信中，能夠準確快速地對故障點進行報警，且令牌幀結構所含信息量較少，對總線的負載率影響較小，實時性與準確性較高。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

液壓支架電液控制系統(tǒng)由3 層網(wǎng)絡結構組成，即支架控制器工作面操作系統(tǒng)、端頭控制器集中控制系統(tǒng)和工作面巷道計算機監(jiān)控系統(tǒng)[9]，如圖1 所示。支架控制器工作面操作系統(tǒng)主要完成工作面液壓支架的數(shù)據(jù)采集與液壓支架控制命令的下發(fā)；端頭控制器集中控制系統(tǒng)一方面將支架控制器采集到的信息上傳給上位機，另一方面完成集中控制命令的下發(fā)；工作面巷道計算機監(jiān)控系統(tǒng)對上傳的信息進行統(tǒng)計分析[10]。工作面巷道計算機與端頭控制器之間通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，端頭控制器與支架控制器之間通過CAN 總線通信。在CAN 總線通信網(wǎng)絡中通常有150～180 臺支架控制器掛載到總線上，通信距離達500 m 以上，因此需要4～6 個控制器搭配1 個中繼器，以保證全工作面可靠通信[11]。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)結構Fig. 1 Structure of hydraulic support electro-hydraulic control system

液壓支架電液控制系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量較多、信息量大、通信距離較長，且井下工作面電磁干擾嚴重，因此對通信網(wǎng)絡抗干擾能力要求較高。CAN 總線通信屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，具有可靠性高、靈活性好、抗干擾能力強等特點[12]。但為了降低控制器物理層面上出現(xiàn)故障的概率，還需要設計性能良好的硬件電路。

考慮到井下工作面電磁環(huán)境復雜，通信硬件設備容易受到環(huán)境污染、電氣干擾等因素的影響而損壞，要求系統(tǒng)硬件具備一定的抗干擾能力[13]。采用CTM8251KT 系列CAN 隔離收發(fā)器，其符合ISO 11898-2 標準，具有非常低的電磁輻射和較高的抗電磁干擾特性，自帶定壓隔離電源，可實現(xiàn)DC 3 500 V 電氣隔離，并具有高靜電釋放保護功能，具有較高的工作可靠性。

為了進一步提高通信系統(tǒng)的可靠性，設計了CAN 通信保護電路，如圖2 所示。

圖2 CAN 通信保護電路Fig. 2 CAN communication protection circuit

在CAN 總線供電電路中，除了加入濾波電容C1來對高低頻諧波進行過濾外，還并接瞬態(tài)抑制二極管DZ1來抑制瞬態(tài)脈沖，從而提高電源的供電質量。在通信電路差分信號之間，使用共模濾波器L-GM1抑制差分信號的共模噪聲，提高信號質量，保護收發(fā)器免受共模干擾信號的影響；設計TVS（Transient Voltage Suppressor，瞬態(tài)電壓抑制二極管）電路對差模信號進行過濾保護，抑制電網(wǎng)浪涌干擾；通過同一網(wǎng)絡單點接地的保護措施來提高設備工作穩(wěn)定性，并在電路中加入玻璃二極管S1，S2，承擔防雷保護的任務。

2 故障檢測與診斷方法

2.1 令牌環(huán)網(wǎng)結構設計

令牌環(huán)網(wǎng)是一種局域網(wǎng)協(xié)議，通過特有的令牌在環(huán)狀網(wǎng)的各個節(jié)點依次傳輸。令牌是節(jié)點訪問總線的鑰匙，節(jié)點只有在獲得令牌之后，才具備在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的權力[14]。當節(jié)點的令牌持有時間結束時，令牌便交給下一節(jié)點；如果節(jié)點不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將令牌繼續(xù)交給下一個節(jié)點[15]。令牌環(huán)網(wǎng)主要工作原理如圖3 所示。

圖3 令牌環(huán)網(wǎng)工作原理Fig. 3 Working principle of token ring network

令牌環(huán)網(wǎng)中主要有令牌幀和故障數(shù)據(jù)幀2 種幀結構[16]。令牌幀作為“鑰匙”在環(huán)網(wǎng)中依照節(jié)點序號依次傳輸，只有拿到“鑰匙”后才能向總線發(fā)送消息，由于令牌本身的功能特性，令牌幀不需要攜帶數(shù)據(jù)[17]。故障數(shù)據(jù)幀主要是由持有令牌的節(jié)點探測出鄰架總線通信故障，從而向總線發(fā)送故障信息幀，故障數(shù)據(jù)幀需要包含故障節(jié)點信息及持有令牌節(jié)點信息。

CAN 總線的數(shù)據(jù)幀由7 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 場、應答場、幀結尾[18]。本文采用的幀結構如圖4 所示。

圖4 CAN 總線通信幀結構Fig. 4 Structure of CAN bus communication frame

令牌傳遞過程中本身不攜帶數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)場為空，故障數(shù)據(jù)幀要在數(shù)據(jù)場說明故障的控制器編號信息，因此為64 bit 數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)可以隨工作面控制器數(shù)量而定，本文選為最大值）；幀起始代表數(shù)據(jù)開始發(fā)送，幀結尾放置在幀的末端，表明數(shù)據(jù)結束；仲裁場包含數(shù)據(jù)類別信息；控制場決定數(shù)據(jù)段所要發(fā)送的字節(jié)數(shù)；CRC 場用來檢測幀的正確性；應答場表明數(shù)據(jù)幀是否被目的地點接收。

2.2 總線信息優(yōu)先級劃分

在實際工作面總線通信中，信息種類繁多，不僅存在故障信息，還有一些基本功能信息，如端頭控制器下發(fā)的集中控制信息、急停命令等。此外，隨著智能化技術的不斷發(fā)展，更多智能設備被廣泛使用，它們采集的信息也通過總線上傳。因此，需要合理劃分信息的優(yōu)先級，否則會導致總線堵塞，從而引發(fā)事故[19]。

在CAN 通信協(xié)議中，一般通過數(shù)據(jù)幀的仲裁場來配置優(yōu)先級。仲裁場格式分為兩大類：① 擴展格式，由29 位定義地址范圍，可以提供更多標志符范圍；② 標準格式，沿用常規(guī)的11 位標志符范圍。考慮到智能化工作面的快速發(fā)展需求，為以后大數(shù)據(jù)處理留有余地，采用擴展格式。根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)的消息種類與信息特點，合理地對仲裁場進行劃分，如圖5 所示。

1） ID28—25。為保證信息發(fā)生沖突時信息的安全等級被優(yōu)先仲裁，將安全等級劃分置于首位。安全等級劃分依據(jù)是信息的緊急性。最高等級的信息涉及到工作面安全問題，包括工作面急停、閉鎖及故障報警信息；第二等級為基本的支架控制命令信息，是保證液壓支架功能準確執(zhí)行的必要信息；第三等級信息為實時性要求較低的智能化功能信息[20]。

為保證工作面安全及基本功能實現(xiàn)的可靠性與實時性，在令牌環(huán)網(wǎng)中，將令牌幀規(guī)劃為智能化功能信息，令牌故障數(shù)據(jù)幀為故障信息。安全等級劃分見表1。

2） ID24—16。隨著智能化技術的發(fā)展，越來越多的智能化操作功能出現(xiàn)，CAN 總線上的每一類智能化功能信息均應具備唯一的標志。為預防出現(xiàn)功能位區(qū)資源不足的情況，設計了功能預留區(qū)。

3） ID15—8。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。

4） ID7—0。表示發(fā)送消息的節(jié)點地址，用于區(qū)分不同節(jié)點發(fā)送的消息。

2.3 令牌傳遞中的故障處理

在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，支架控制器通過自動排序功能獲得自身編號。令牌傳送的過程是通過總線，由端頭控制器每隔2 s 產(chǎn)生1 次令牌，并發(fā)送令牌到1 號支架控制器。該支架控制器收到令牌后會應答端頭控制器，并將令牌標志置1。當端頭收到應答之后，表明令牌傳送成功，令牌標志清0。之后1 號支架控制器會向2 號支架控制器發(fā)送令牌，將令牌通過該方式依次向下傳遞。具體的工作流程如圖6 所示。

當中間某臺支架控制器發(fā)生故障時，上一臺支架控制器通過總線向該控制器持續(xù)訪問3 次，若未收到應答，則認為該控制器已經(jīng)出現(xiàn)總線故障，此時上一臺控制器會向總線發(fā)送包含故障信息的故障數(shù)據(jù)幀，并對令牌幀進行處理，使其跳過故障控制器，往下一臺控制器發(fā)送訪問命令。故障診斷流程如圖7 所示。

這種令牌巡檢的故障診斷方式會增加需要上傳的報文數(shù)據(jù)量，加重通信總線負載。令牌輪詢周期太短，將導致總線沒有冗余，總線擁堵，造成優(yōu)先級別較低的功能命令報文無法下發(fā)，所以需要合理設置令牌輪詢周期。一般應將CAN 總線的負載率控制在30%以內，可保證可靠通信。增加令牌故障診斷報文時，總線增加的負載率為

式中： ΔA為單位時間內實際傳輸?shù)牧钆戚喸兡Ｊ较略黾拥淖止?jié)總數(shù)；Z為理論上單位時間內所能傳輸?shù)淖止?jié)總數(shù)。

式中：N為總節(jié)點數(shù)； Δb為故障診斷模式下增加的數(shù)據(jù)長度；T1為令牌發(fā)送的理論周期；B為總線速率；t為單位時間。

綜合式（1）、式（2）和式（3）可得

本文以200 臺控制器為假想對象，設計200 個節(jié)點，系統(tǒng)選取的CAN 總線速率為500 kbit/s，令牌成功傳送1 次時，所發(fā)送的報文包括令牌幀、故障數(shù)據(jù)幀。當故障節(jié)點較多時，總線上的負載率會增加，增加值為

CAN 總線速率為500 kbit/s 時，由文獻[19]可知，系統(tǒng)正常工作情況下，總線負載率最大為26%，由此得到負載率與令牌發(fā)送周期的關系，如圖8 所示，其中負載率最大值對應200 臺控制器均發(fā)生故障情況，負載率最小值對應無通信故障情況。

圖8 負載率變化曲線Fig. 8 Curve of load rate variation

當令牌發(fā)送周期為0.24 s 時，總線負載率最大值為30%。隨著令牌發(fā)送周期增大，總線負載率降低。實驗證明，令牌發(fā)送周期為2 s 時，系統(tǒng)總線通信的冗余性良好，負載率較低，滿足實際要求。

3 試驗驗證

為驗證液壓支架電液控制系統(tǒng)CAN 總線通信故障檢測與診斷方法的有效性，設計了試驗方案：以2 臺端頭控制器配合6 臺支架控制器組成環(huán)網(wǎng)，通過上位機不定時下發(fā)命令，模擬井下實際操作時總線真實的負載情況。為保證系統(tǒng)正常運行，CAN 總線速率設置為500 kbit/s，在正常操作模式下，將某一臺控制器從總線上人為掉線，以此模擬井下控制器故障情況，并通過CAN 總線分析儀和上位機軟件監(jiān)測故障記錄，記錄故障節(jié)點的報警時間，并通過軟件記錄當前總線負載率變化情況。試驗平臺如圖9 所示。

圖9 試驗平臺Fig. 9 Experimental platform

在正常工作模式下，系統(tǒng)能夠正常運行，不會影響系統(tǒng)其他支架控制功能的實現(xiàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結果如圖10 所示。在18：05：21.076 時刻，將節(jié)點4 人為設置故障后，節(jié)點3 不會收到節(jié)點4 的回復信息，此時節(jié)點3 將發(fā)送3 次信息訪問，未收到回復，判定節(jié)點4 發(fā)生故障。在18：05：21.318 時刻節(jié)點3 報警，并將令牌傳遞給節(jié)點5。

圖10 試驗結果Fig. 10 Experimental result

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在令牌輪詢診斷模式下，當節(jié)點4 發(fā)生故障時，節(jié)點3 能在300 ms 內準確定位故障點，并及時向總線發(fā)送故障信息。總線負載率變化情況如圖11 所示。

圖11 總線負載率變化Fig. 11 Bus load rate variation

從圖11 可以看出：第一階段為系統(tǒng)上電階段，此時總線處于空閑狀態(tài)；第二階段為系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段，此時總線上包含控制器采集的傳感器信息；第三階段為系統(tǒng)加入令牌故障診斷功能階段，此時總線負載率增加2%左右，并隨著上位機指令下發(fā)出現(xiàn)輕微的浮動。當故障出現(xiàn)時，總線負載率會出現(xiàn)一定的增長，達到26%，整體低于30%，滿足系統(tǒng)設計要求。

4 結論

1） 針對因井下電磁環(huán)境復雜、液壓支架電液控制系統(tǒng)支架控制器易受外界干擾而導致通信故障的問題，設計了CAN 通信保護電路，可使系統(tǒng)在較大負載的情況下穩(wěn)定運行，在復雜環(huán)境中具有較強的抗干擾性。

2） 針對工作人員難以及時發(fā)現(xiàn)故障位置的問題，提出了故障檢測與診斷方法。該方法將令牌環(huán)網(wǎng)與CAN 通信協(xié)議相融合，不僅彌補了CAN 總線多主結構帶來的安全隱患，而且不會對總線造成較大的負載壓力。

3） 對提出的故障檢測與診斷方法進行試驗驗證，結果表明該方法實現(xiàn)了對故障的快速定位及報警，故障排除率達到100%，系統(tǒng)冗余性較高，不會對系統(tǒng)正常運行產(chǎn)生影響。