液壓支架多機控制系統通信結構分析探討

夏潤生，吳德生，潘六壽

（1.中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083；2.淮南礦業集團顧橋煤礦 機電安裝隊，安徽 淮南 232100）

0 引言

綜采面液壓支架計算機控制系統（簡稱：支架控制系統）是一種多計算機控制系統，每臺液壓支架均由一臺計算機支架控制器，通過串口將工作面所有支架的控制器連接起來，形成局域通信網。控制器除了對本支架控制和監測，還可接收其它控制器的控制命令，或向其它控制器發送控制命令，實現本架控制、鄰架控制、隔架控制、成組控制、采煤機位置自動控制等功能。目前，煤礦現場應用的支架控制系統主要有德國DBT，美國JOY 等公司的產品，不同公司產品的通信結構或協議是不同的。本文通過對常見幾種多機通信結構進行分析，探討適用于支架控制系統的通訊結構。

1 多機通信網絡結構的特點

常見的多機通信網絡結構如圖1所示，有星型結構圖 1（a）、 環形結構圖 1（b）、 主從總線結構圖 1（c）、 多主總線結構圖 1（d）。

星形結構圖1（a）采用集中式控制，所有的下位機均通過獨立的通信線路連接到中心計算機（或集線器），彼此之間沒有直接的通信線路，一旦集線器出現故障，則導致全網癱瘓，失去控制功能。因此，星型結構在高可靠性的應用領域受到限制，不適于支架控制系統。

圖1 多機通信網絡結構

環行結構圖1（b）實現非常簡單，傳輸速度較快，但是每個下位機只能與相鄰的下位機相連，不相鄰下位機的信息傳遞必須通過中間下位機的傳遞才能實現，任何一個下位機出故障勢必造成整個網絡的中斷，另外，環形結構節點的擴展和移動都不太方便。

主從總線結構圖1（c）只有一個上位機，其余均為下位機。上位機發送的信號可被所有下位機接收，下位機發送的信號只能由上位機接收。任何一臺從機發生故障不影響整個系統的正常工作。一旦上位機發生故障，將導致整個系統癱瘓，通常系統有兩臺上位機，一臺工作一臺備有，以增加系統的可靠性。但從機與從機之間只能通過上位機來實現間接的信息傳遞和控制，必然影響到系統的響應速度。美國JOY 公司的支架控制系統采用這種結構。

多主通信總線結構圖1（d），就是在一根通訊總線上分布著多個節點，每個節點就是一個下位機。系統中的任何節點可作為主控節點控制其他節點，也可以作為被控節點被其他節點控制，節點是主控還是被控是隨機的，比較靈活。節點之間直接傳遞信息，響應速度快。系統中任何節點發生故障時，不會影響整個系統的正常工作，可靠性高。強大的總線仲裁功能，可順利解決信號沖突的問題。總線的電纜數量少，結構簡單，易于擴充。

因此，對于節點之間要求互控性的支架控制系統而言，多主總線結構是最理想的選擇。其中，CAN現場總線使用較為普遍。

2 多主通信總線在支架控制系統中的應用

液壓支架在工作面中要求完成采煤過程中的支護頂板、收護幫板、降移升、推進機采設備等一系列動作，并要求液壓支架、采煤機和刮板輸送機三機動作相互協調。液壓支架與這些機采設備的協調關系要求有一個通信結構可靠、合理的計算機控制系統。

根據采煤工作面運行工況以及滿足液壓支架與采煤機、刮板輸送機的相互約束關系，由CAN總線的響應速度快、可靠性高、通信實時性好、糾錯能力強等優點，本文就CAN總線結構的液壓支架計算機控制系統進行重點分析。

3 系統原理結構與功能

3.1 系統原理結構

圖2 多主總線通信結構原理

根據綜采面支架之間互控的要求，認為支架控制系統采用多主總線通信結構最合理可靠。本文即采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）總線結構，原理結構如圖2所示。順槽上位機和所有下位機的串行接口均掛接在CAN總線上，地面監控站與順槽上位機通過光纜和光端機進行通信，每架液壓支架均由對應的下位機進行檢測和控制，構成控制子系統（如圖2 虛線框所示）。順槽上位機及各下位機主要完成對來自CAN總線數據信息的存儲、信號的檢測反饋、數據的歷史查詢，地面監控站主要完成工作面礦壓、支架故障信息以及運行狀態的實時顯示，CAN總線是各控制機互相傳遞信息的紐帶，各控制機均能作為其它控制機的上位機實現本架、鄰架、隔架控制以及成組控制，達到互控的要求。

3.2 下位機結構原理

下位機的結構如圖3所示，是以ARM 單片機為核心，擴展了控制放大電路，紅外接收器，位移、壓力、紅外傳感器，A/D 轉換電路，LCD 顯示器和鍵盤，構成了一個計算機閉環控制系統。CAN總線連接上位機與下位機，通過操作下位機鍵盤實現對本架支架的控制，通過單片機串口向其它下位機發出控制命令，控制相應的下位機完成預定的動作。顯示器同步顯示工作面狀態，并及時報告故障位置，便于操作人員及時做出處理。

圖3 下位機的硬件設計原理圖

3.3 系統通信控制

CAN總線是一種典型的工業現場通信總線，通信方式靈活。根據CAN總線的通信協議，以及通信所必需的一些數據要求，制定了相應的工程報文格式，見表1，經驗證可以完成各控制機之間的信息傳遞和相互控制。其中，字節4 到字節11位用于存儲數據幀的實際傳輸數據，數據6、7、8為保留位，方便以后添加，用于傳輸一些檢測到的數據。

4 結束語

綜上分析可知，四種通信結構均可實現綜采面液壓支架的多機控制，但多主總線結構最合理、最可靠。本文以綜采面液壓支架作為研究對象，采用單片機串口通信技術對CAN總線多機控制系統進行了介紹。結果表明，多主機控制系統對控制命令響應迅速、可靠性高、糾錯能力強、系統的可維護性好，減少了操作人員的數量，降低了工人的勞動強度，提高了生產效率以及安全保障，適用于綜采工作面液壓支架的聯機控制。本文對研究其它液壓支架計算機控制系統具有一定的參考價值。

表1 工程報文格式

[1]李全利.單片機原理及接口技術[M].北京：高等教育出版社，2009.

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