一種液壓支架電液控制系統通信網絡設計

余佳鑫，黃金福，王新軍，馬鵬宇

（廣州日濱科技發展有限公司，廣東廣州 510660）

0 引言

液壓支架電液控制系統是實現煤炭綜采工作面高產高效的關鍵技術設備。系統一般由控制器、電源、隔離器、驅動器等設備組成，其中控制器是整個系統的核心部件，多個控制器通過一定的連接方式進行組網，從而實現對工作面液壓支架控制、監測及異常響應等功能[1]。當前國內外從事液壓支架電液控制系統研發、制造的廠家和機構眾多，在系統通信網絡的實現上也各具特色，但這些通信網絡大多數是通過RS485、CAN等總線通信實現，或者是在這些總線通信的基礎上進行改良[2]。盡管有很多現成的軟硬件設計規范來支持這種總線通信網絡設計，但這種二次開發應用的針對性不強，難以根據液壓支架電液控制系統的特點，從深層次地去進行一些通信準確性和系統可靠性的研究設計。本文從通信網絡模型的角度，拋開總線通信這一固有思維，介紹一種應用于液壓支架電液控制系統控制器上的，基于OSI模型的“點對點”通信網絡設計。

1 通信網絡概述

液壓支架電液控制系統是一種由多個控制器聯網組成的分布式控制系統，控制器數量一般在100～200臺之間，每臺控制器必須分配有唯一的、按順序遞增或遞減的網絡號。對于這樣的系統，常用的現場總線通信都體現出弊端，如RS485總線，其總線節點最多為32個，超過32個節點時往往需要使用中繼器進行二次組網[3-4]；又如CAN總線，要達到理論上的110個節點，首先需要解決總線驅動電路上阻抗匹配這一難題，實際應用時往往需要使用提升器等設備加強驅動和二次組網[5-6]。而且，由于總線式的通信是“一對多”的方式，無法解決自動按順序分配網絡號的問題，通常需要使用類似撥碼開關的方式進行手動設置，這在工作環境惡劣的煤礦工作面上顯然行不通。

根據液壓支架電液控制系統這一特點，本文提出了一種點對點網絡通信模型，模型的基本架構如圖1所示。模型的基本單元為相鄰兩個控制器之間的點對點通信，通過多個基本單元的有機串聯，通信數據在各個控制器之間互相傳遞，從而實現系統的互聯。

圖1 通信模型基本架構

在每個基本單元中，控制器之間點對點通信采用的網絡協議參照OSI（開放式系統互聯）模型，并在OSI模型的基礎上進行剪裁，僅保存物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層及應用層，如圖2所示。

圖2 基本單元網絡協議模型

與傳統的RS485、CAN等總線通信網絡相比，本文提出的點對點通信網絡在應用于液壓支架電液控制系統時具有以下優點：

（1）全雙工通信，控制器之間的連線簡單可靠；

（2）不存在阻抗匹配問題，通信速率可達250 kbit/s甚至更高；

（3）簡單快捷地實現控制器自動按順序分配網絡號；

圖3 物理層設計

（4）完善的通信糾錯和數據幀優先級設置機制，平衡通信質量與負荷量。

2 通信網絡設計

以下將對通信網絡中基本單元網絡協議的各個子層進行深入探討，闡述每一個子層的功能和設計依據。

2.1 物理層

物理層的主要功能是對通信數據中的每一個bit進行電氣特性的約定，硬件基礎為一種經過改進的UART傳輸。

物理層硬件電路如圖3所示，以基本單元中一路收發為例，在發送控制器端，MCU發出TTL電平的UART信號經過驅動和電壓提升，作為發送控制器的輸出信號；在接收控制器端，將信號進行調理和整形，還原為TTL電平，最終被接收控制器的MCU識別。

物理層約定收發兩端的電氣特性如下：

（1）傳輸數據0時為低電平、數據1時為高電平；

（2）傳輸線上高電平電壓幅值為：

（3）傳輸線上高電平時電流幅值為：

由此可見，在物理層的設計上，主要通過提高驅動電壓、增強驅動電流對通用的UART通信進行改進，從硬件上以最精簡的方式保證通信的可靠性。更重要的是，這種改進是具體到每個基本單元的每一路收發信號上的，驅動的效果不會因為收發線路的增加而減弱，即不存在阻抗匹配的問題。在30米內的通信距離內，通信速率可保證在250 kbit/s以上，完全可滿足液壓支架電液控制系統應用需求。

2.2 數據鏈路層

數據鏈路層的主要功能是在物理層的基礎上進行可靠的數據傳輸，即通過一定的差錯檢測，保證相鄰兩個控制器間每一次通信的準確性。

控制器之間的通信是以幀為基本單位的，幀的起始、結束和校驗的處理在數據鏈路層中完成。本設計中，數據幀采用定長結構，幀頭由同步域標識幀的起始，并將幀的結束域和校驗進行合并，如圖4所示。

圖4 網絡協議幀結構

與傳統數據鏈路層不同，在本通信網絡協議中，當控制器接收完一幀但確認校驗出錯時，直接放棄本幀數據，且并不通知發送方重發，而是由發送方在傳輸層中統一作超時處理。

2.3 網絡層

網絡層的主要功能是實現數據幀的地址屬性，并確定數據幀如何從發送方路由到接收方。

系統在每次上電后，由服務器或順槽主機發起設置網絡號的命令，控制器接收到該命令后，一方面從命令中獲取本機網絡號數據，另一方面將該數據加1后轉發至下一臺控制器。在設置網絡號命令在工作面所有控制器中傳輸完一遍后，每臺控制器具有唯一的、依次連續遞增或遞減的網絡號。

在網絡層進行數據的路由時，并不需要標識具體的目標控制器地址，也不需要尋找并存儲最快的數據傳輸路徑，而是在控制器發送數據之前，提前計算好該數據傳遞至目標控制器的中轉次數N，并將N加入數據幀中，接收到該數據的控制器首先進行N-1的操作，結果為零時說明本機即是該數據的目標控制器，非零時則根據數據的方向進行轉發。而當某些數據需要以廣播的形式傳輸時，例如某臺控制器急停開關按下時需要通知至所有控制器，中轉次數N標識為255，其他控制器接收后同時提取數據并轉發。

網絡層采用的機制可避免復雜的地址匹配流程，以最精簡的形式實現可靠、高效的數據傳輸。

2.4 傳輸層

傳輸層的主要功能是根據所傳輸的數據的重要性進行分級，并以此實現對整個網絡的流量控制。

在傳輸層中，將數據幀定義為命令幀、應答幀和信息幀，建立相應的數據幀緩存空間，并對緩存空間中的每個數據幀都進行幀序列號的標識。命令幀指由系統手動控制、自動控制等控制相關的通信數據幀及異常情況（急停閉鎖，設備故障等）觸發的通信數據幀，通信網絡必須保證這些數據幀都能有效傳遞到目標控制器。應答幀指對命令幀應答數據幀，在命令幀的點對點傳遞過程中，無論本機是否為命令的目標控制器，也無論本機是否仍需對命令幀進行轉發，首先都要對發出或轉發該命令幀的控制器進行應答，而發出某個命令幀的控制器，也只有在接收到與幀序列號相對應的應答幀后，才允許發送下一個命令幀，否則將一直重發當前的命令幀，當某個命令幀重復發送一定次數時，判定為通信故障，并啟用相應處理機制。信息幀指數據量大但允許少量丟失，而且能夠定時更新的數據，例如控制器中用于順槽監測的狀態數據，信息幀無需等待應答。

根據以上機制，數據幀優先級的排序從高到低依次為應答幀、命令幀、信息幀，而命令幀在發出一定時間內未收到相應的應答幀時，將進行重新發送，這一機制也將數據鏈路層中幀校驗失敗的處理一并實現。

根據點對點通信的特點，距離順槽監控主機越近的控制器，其通信數據負荷量越大，傳輸層對數據幀的處理類似TCP/UDP協議，既保證重要數據的可靠傳輸，又最大限度降低數據負荷量。

2.5 應用層

應用層的主要功能是對具體的數據報文進行解析，由用戶針對具體的通信功能進行自定義，在此不作詳細列舉。

2.6 通信處理流程

圖5 通信處理流程

網絡協議中數據鏈路層、網絡層、傳輸層的通信處理流程體現在每一次數據收發的流程中，這種流程及其邏輯處理可方便地在MCU中實現，如圖5所示。

3 結語

本文首先介紹了液壓支架電液控制系統中控制器組網的特點，根據這些特點分析了RS485、CAN等總線在應用于液壓支架電液控制系統時的缺陷，并提出一種“點對點”的通信網絡設計，詳細介紹網絡架構、各協議子層的原理和功能，以及相應的通信處理流程。

本文所介紹的通信網絡，優點在于繞開了總線形式的思維，將通信網絡中功能的實現、可靠性的保障、故障的診斷細化到由兩個控制器組成的，基于OSI模型的點對點最小單元之間，再由此延伸至整個液壓支架電液控制系統控制器的組網，最終解決了阻抗匹配和按順序分配網絡號兩個總線形式的網絡難以解決的問題。

本文所設計的網絡通信協議已經在液壓支架電液控制系統中實現，同時系統已應用于多個綜采工作面。

［1］王國法.高端液壓支架及先進制造技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2010.

［2］李首濱，韋文術，牛劍峰.液壓支架電液控制及工作面自動化技術綜述［J］.煤炭科學技術，2007，35（11）：1-5.

［3］李磊，宋建成，田幕琴，等.基于DSP和RS485總線的液壓支架電液控制通信系統的設計［J］.煤炭學報，2010，35（4）：701-704.

［4］呂賧，陳輝，張曉嬌，等.液壓支架電液控制系統通訊網絡的設計［J］.煤礦機械，2009，30（10）：146-148.

［5］孫曉健，張東來.CAN總線在液壓支架電液控制系統的應用［J］.微計算機信息：嵌入式與SOC，2006，22（6-2）：97-98.

［6］劉國平，邱吉元，李繼武.基于雙CAN總線的液壓支架控制系統的設計［J］.工礦自動化，2009（6）：65-68.