CAN總線在石油修井機(jī)上的應(yīng)用

張 斌，殷佳琳，田 程，馬太清

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣信息工程系，德陽 618000；2.寶石機(jī)械成都裝備制造分公司，成都 610051）

0 引言

石油修井機(jī)是由一臺(tái)或兩臺(tái)動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車和轉(zhuǎn)盤，絞車用動(dòng)力機(jī)、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(fā)動(dòng)機(jī)或康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力機(jī)，使用艾里遜傳動(dòng)箱或國產(chǎn)的凱星傳動(dòng)箱進(jìn)行動(dòng)力傳遞。在汽車行走時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)箱傳送到底盤，驅(qū)動(dòng)車輛行走；在修井機(jī)作業(yè)時(shí)，通過切換裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)箱傳送到作業(yè)臺(tái)上，可以進(jìn)行立井架、驅(qū)動(dòng)絞車或轉(zhuǎn)盤等修井作業(yè)。在駕駛室、井口作業(yè)平臺(tái)都需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置、傳動(dòng)箱的換檔進(jìn)行操作；傳動(dòng)箱的工況也要與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行匹配。整個(gè)控制系統(tǒng)如果用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行控制，傳遞各種命令和交換信息，會(huì)在汽車底盤和工作臺(tái)上布置很多控制線纜。在油田井場(chǎng)及車輛行駛過程中工作條件惡劣，可能會(huì)使各種命令及信息交換的可靠性降低。

用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞可以減少布線，并且能提高系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)的控制器和艾里遜傳動(dòng)箱控制器均是具有CAN總線功能。組建一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)，不僅可以減少整個(gè)控制系統(tǒng)的布線工作，而且能提高信息交換的可靠性，保障整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠工作。

1 CAN 總線簡(jiǎn)介

新型的串行現(xiàn)場(chǎng)總線—控制器局域網(wǎng)，目前廣泛應(yīng)用于汽車控制與通信系統(tǒng)，同時(shí)也在其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

CAN總線技術(shù)針對(duì)不同的功能和應(yīng)用，有多種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類。A類是面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率小于10kbps，如電動(dòng)窗、燈光等控制；B類是面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，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(shí)時(shí)控制的多路傳輸網(wǎng)，位速率在125kbps-1Mbps，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等動(dòng)力、傳動(dòng)系統(tǒng)。

SAE J1939是一類專門用于卡車、大客車、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等的CAN總線通信協(xié)議，波特率可達(dá)250kbps，是一種傳輸速率較高的C類通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它以CAN 2.0B為基礎(chǔ)，定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議，SAE J1939的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SAE J1939分層結(jié)構(gòu)與OSI七層模型

2 CAN 總線在修井機(jī)上的具體應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在油田的修井機(jī)上選用具有CAN總線控制功能的卡特發(fā)動(dòng)機(jī)（或康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)）和艾里遜傳動(dòng)箱，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器與傳動(dòng)箱的控制器通過CAN總線互相傳遞信息，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制臺(tái)和駕駛室安裝有監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的帶CAN總線功能的儀表，整個(gè)系統(tǒng)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2[3]所示。

圖2 修井機(jī)CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)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(tài)下，當(dāng)CAN-H和CAN-L均為2.5V左右，表示邏輯1，稱為隱性，當(dāng)CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V時(shí)，稱為顯性，表示邏輯0。

2.3 傳遞的主要數(shù)據(jù)信息[3]

艾里遜傳動(dòng)箱的控制器（Commercial Electronic Control 2,CEC2）與發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表之間主要進(jìn)行一些廣播信息和接收數(shù)據(jù)。

CEC2廣播有以下參數(shù)群：PGN00000(轉(zhuǎn)矩/速度控制1,TSC1)、PGN59904 (請(qǐng)求)、PGN61440(電子減速器控制器1,ERC1)、PGN61442(電子傳動(dòng)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(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、換檔情況、機(jī)油溫度等信息。

CEC2接收的數(shù)據(jù)有以下的參數(shù)群：PGN60160（傳輸協(xié)議-數(shù)據(jù)傳送，TP.DT）、PGN60416（傳輸協(xié)議-連接管理，TP-CM）、PGN61441（電子制動(dòng)控制器1，EBC1）、PGN61443（電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制器2，EEC2）、PGN61444（電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制器1，EEC1）、PGN65262（發(fā)動(dòng)機(jī)溫度）等。包含發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門位置、溫度等信息。

2.4 系統(tǒng)工作控制過程

在駕駛室內(nèi)安裝一只選擇開關(guān)，可以選擇駕駛室操作還是修井機(jī)作業(yè)平臺(tái)操作；有操作機(jī)構(gòu)將傳動(dòng)箱的輸出切換到臺(tái)下行車或臺(tái)上進(jìn)行修井作業(yè)。在駕駛室和作業(yè)平臺(tái)上均裝有換檔開關(guān)和油門操作機(jī)構(gòu)。

1）駕駛室的操作

將駕駛室內(nèi)的選擇開關(guān)置于“臺(tái)下”位置，該信號(hào)送進(jìn)傳動(dòng)箱的控制電腦，并將傳動(dòng)箱的輸出轉(zhuǎn)換到臺(tái)下。駕駛室行車可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。

駕駛室的換檔開關(guān)有倒檔“R”、空檔“N”、前進(jìn)檔“D”三個(gè)選擇，在換檔開關(guān)上可以設(shè)置前進(jìn)檔換檔的范圍（1-6）。檔位選擇信息送進(jìn)傳動(dòng)箱的控制電腦。

在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將換檔開關(guān)置于空檔“N”，該信息送進(jìn)傳動(dòng)箱控制電腦，再通過CAN總線傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦，如果換檔開關(guān)未置于空檔，發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。

需要車輛前進(jìn)時(shí)，換檔開關(guān)選擇前進(jìn)檔“D”，此時(shí)換檔開關(guān)的顯示器會(huì)顯示數(shù)字“6”，表示車輛在1、2、3、4、5、6檔可以自動(dòng)切換；可以調(diào)節(jié)顯示器上的數(shù)字，改變車輛前進(jìn)中可以自動(dòng)換檔的范圍，比如將顯示器的數(shù)字設(shè)置為3，表示在行駛過程中，可以在1、2、3檔進(jìn)行換檔。發(fā)動(dòng)機(jī)的控制電腦將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及油門位置信號(hào)通過CAN總線傳送給傳動(dòng)箱的控制電腦，踩下油門踏板，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1900r/min時(shí)，傳動(dòng)箱控制電腦會(huì)控制換檔電磁閥組，檔位由1檔變?yōu)?檔，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直保持在該轉(zhuǎn)速以上，則傳動(dòng)箱會(huì)升到設(shè)定的最高檔。當(dāng)松開油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)降下來，檔位也依次可以降下來。

倒車時(shí)，將換檔開關(guān)置于倒檔“R”，傳動(dòng)箱控制電腦會(huì)控制換檔電磁閥組，使傳動(dòng)箱處于倒檔工作狀態(tài)。

整個(gè)工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)箱控制電腦間的信號(hào)傳遞如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)箱控制信號(hào)傳遞示意圖

2）作業(yè)平臺(tái)的操作

當(dāng)修井機(jī)在井場(chǎng)就位后進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，需要在作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行操作。首先將駕駛室內(nèi)的切換開關(guān)置于“臺(tái)上”位置，并將傳動(dòng)箱的輸出切換到臺(tái)上。在作業(yè)平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)換檔。

2.5 實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題

該CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在中國石油川慶鉆探工程有限公司的各修井隊(duì)的修井機(jī)上。這些修井機(jī)配置艾里遜傳動(dòng)箱與卡特發(fā)動(dòng)機(jī)。在使用中曾經(jīng)遇到以下的問題。

1）在行車過程中只有一個(gè)檔位，不能進(jìn)行換檔

一臺(tái)XJ120修井機(jī)在前往平樂12井的途中，駕駛員反映行車只有一個(gè)檔位。在修井機(jī)到達(dá)井場(chǎng)就位以后，我們進(jìn)行了檢測(cè)。在作業(yè)平臺(tái)上可以進(jìn)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(tái)下駕駛室進(jìn)行操作時(shí)，傳動(dòng)箱不能換檔，只有一個(gè)檔位。駕駛室的換檔是靠發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后自動(dòng)進(jìn)行升檔，懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到換檔點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。通過CAN網(wǎng)絡(luò)的診斷接口，連接到PC機(jī)，在診斷軟件上觀測(cè)傳動(dòng)箱的工作情況，在平臺(tái)上操作能進(jìn)行手動(dòng)換檔，各傳感器信號(hào)正常，在駕駛室進(jìn)行換檔操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min，但檔位并沒有升高，一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1900r/min時(shí)就可升檔，檢查外圍電路及CAN總線網(wǎng)絡(luò)，均未發(fā)現(xiàn)問題，懷疑是換檔點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置過高。調(diào)整油門位置，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2100r/min時(shí)，可以進(jìn)行換檔。

該修井機(jī)配置的是C9卡特發(fā)動(dòng)機(jī)和艾里遜6000系列的傳動(dòng)箱。經(jīng)向艾里遜公司咨詢，6000系列的傳動(dòng)箱應(yīng)用在工程設(shè)備上，自動(dòng)換檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般設(shè)置在2000r/min左右，它不同于應(yīng)用在公路運(yùn)輸?shù)?000/4000系列的艾里遜傳動(dòng)箱，自動(dòng)換檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般設(shè)置在1600r/min左右。在修井機(jī)的行車途中，駕駛員一般不會(huì)把發(fā)動(dòng)機(jī)的速度加到2000r/min,特別是在山路上行駛時(shí)，所以駕駛員經(jīng)常會(huì)反映行車時(shí)只有一個(gè)檔位。

經(jīng)與艾里遜公司協(xié)商，通過CAN網(wǎng)絡(luò)接口，將自動(dòng)換檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)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(tái)XJ120修井機(jī)在前往蓮花000-1井的途中，發(fā)現(xiàn)行車只有兩個(gè)低速檔，不能換到更高的檔位。經(jīng)檢查，在作業(yè)平臺(tái)能進(jìn)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(wǎng)絡(luò)診斷接口，連上PC機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，顯示駕駛室換檔器有故障，將臺(tái)上的換檔開關(guān)換到駕駛室，發(fā)現(xiàn)故障依然存在。檢查換檔開關(guān)到傳動(dòng)箱控制電腦之間的線束，發(fā)現(xiàn)一根信號(hào)線引腳脫焊。將該信號(hào)線引腳焊接好，故障排除。

3 結(jié)束語

在修井機(jī)上利用CAN總線交換信息，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可應(yīng)用到配置有艾里遜傳動(dòng)箱和卡特發(fā)動(dòng)機(jī)的車載鉆機(jī)及大型的公交車上，減少車輛的布線，提高系統(tǒng)的可靠性。

[1] 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S], SY/T5202-2004 石油修井機(jī).

[2] 羅峰, 孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社, 2010.

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