雙CAN的液壓支架控制系統的設計問題探討

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，工學學士，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的可靠性和實時性，作者采用雙CAN總線通信，根據支架系統的工作要求對總線上的數據分為鄰架操作和輪詢兩種，并且分兩個不同通道傳遞，在總線出現故障時實現通道的自動切換。在CAN應用層協議、系統的雙CAN通信結構以及通信軟件和控制器節點的硬件設計上充分考慮系統的實時性能和可靠性能并取得良好效果，為雙CAN的設計應用和液壓支架控制系統通信網絡的性能提高給出一個新的設計思想。

關鍵詞：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是實現綜采T作面高產的安全防護的關鍵技術設備，由于礦井的環境十分惡劣且支架節點數量多，控制系統必須具備高的實時性和可靠性，而動作命令和其他參數數據都是通過總線傳遞給執行架的，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 控制系統的總體設計

2.1 系統實時性和可靠性要求分析

煤礦生產工作面環境惡劣，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空間等都對支架的可靠運行構成威脅，除了在支架本身和液壓系統采取相應的措施外，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，液壓支架根據采煤的需要不斷地調整位姿，任何一個動作延時或不動作都可能對設備和人員造成傷害，所以液壓支架系統必須具有高的快速響應，這不僅要求液壓系統相應速度快，控制器也必須有高的實時性。所有命令和參數都必須經過總線傳遞，所以系統對通信的實時和可靠性要求很高。

2.2 節點硬件設計

節點硬件采用基于LPC2290的工業級微控制器，帶2路CAN控制器，為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，CAN和控制器引出端通過高速光耦Pll3與總線驅動器TJAl050相連，很好的實現了總線上各CAN-bus節點間的電氣隔離。根據安全要求，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 節點軟件設計

本系統采用了μCOS-II嵌入式實時操作系統，系統分為顯示、鍵盤、通信、輸出、數據采集／處理和監控任務，由于篇幅有限，不做詳細介紹。需要指出的是，在切換到通信任務時不使用任務級的任務切換而使用中斷級任務切換，使通信數據及時發送，這樣設計使得控制命令第一時間得到發送和接受，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志的設置，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 通信設計

3.1 報文設計

(1)單架單動時操作架發送操作命令給動作架。(2)成組動作時操作架發送的成組動作命令、成組數量和成組架號及方向等參數。(3)采煤機經過的支架把采煤機位置廣播所有節點控制器。(4)急停、閉鎖支架把本架ID標志符廣播所有節點控制器。(5)新加入的支架控制器廣播支架ID標志符。為提高系統的實時性，充分利用CAN總線的節點ID的優先權和總線報文非破壞性仲裁技術，設計的標準幀格式的鄰架操作數據幀(報文)結構如表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先權，在CAN總線系統中，當同時有多個節點向總線發送數據時，具有最高優先權的報文將取得發送權。標識符ID0~ID7定義為目標節點地址，其中定義ID0~ID7=00011000為廣播地址。支架狀態數據是操作架對其他各架的狀態進行輪詢以及參數設置，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，其報文設計類似，這里不做詳細介紹。

3.2 雙CAN通信設計

本系統的兩路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，當一路總線出現故障時，此路總線自動關閉并切換到另一路CAN總線，當故障總線恢復時，默認該總線上傳遞的數據將重新同到該總線上傳遞。假設單個CAN控制器總線系統的可靠度為，則雙CAN控制器器總線系統的可靠度為：，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，系統通信的可靠性有了明顯的增加。

3.3 節點通信任務設計

從節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，CAN初始化設置波特率，數據幀格式等，總線故障時由CAN控制器自動產生中斷，通信出現故障時發出故障報警，故障排除后報警取消。正常通信時，兩個CAN擁有不同的數據緩沖區，當有一個CAN總線通道山現故障時，有故障的CAN將借用正常的CAN的緩沖區，等恢復正常時回到原來的緩沖區。在系統中，通信作為一個實時性高的任務，應具有高的優先級，并且提高可靠性能，在執行架收到命令數據時給發送命令的節點一個應答，這樣當操作節點沒有接收到應答時將重新發送命令，這樣可以避免數據在發送、傳輸和接收過程受到干擾而沒有被正確接收到。

4 結論

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

參考文獻：

[1] 王亞軍. 改進液壓支架在控制系統中的幾點建議[J]. 內蒙古煤炭經濟， 2010，(1).

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