基于以太網和CAN總線的液壓支架電液控制系統研究

汪佳彪，王忠賓，張　霖，2，許　靜，李付生

(1．中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州　221116;2．加州大學圣迭戈分校神經計算研究所，美國加利福尼亞州　92093;3．中平能化集團天工機械制造有限公司，河南平頂山　467000)

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基于以太網和CAN總線的液壓支架電液控制系統研究

汪佳彪1，王忠賓1，張霖1，2，許靜1，李付生3

(1．中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州221116;2．加州大學圣迭戈分校神經計算研究所，美國加利福尼亞州92093;3．中平能化集團天工機械制造有限公司，河南平頂山467000)

摘要:針對目前綜采工作面液壓支架電液控制系統的實時性差、可靠性低的問題，提出一種基于以太網和CAN總線的液壓支架電液控制系統，構建了系統的整體架構，實現了總體程序。根據實際的工況對系統進行改進:分析了液壓支架遠程監控的工作特性，采用基于改進時分復用算法的TCP/IP通訊協議，從理論計算了工作面所有支架發送完成一次傳感數據時間為260 ms，達到了遠程監控實時性的要求;分析了液壓支架鄰架控制，采用基于動態優先級提升算法的CAN通訊協議，減少因總線碰撞而造成的系統實時性降低;控制系統的以太網與CAN總線可冗余通信，以提高系統通信可靠性。通過實驗驗證了支架控制器的通訊功能以及2種通訊方式的可替換性，證明了該系統具有較高的實時性和可靠性。

關鍵詞:電液控制;液壓支架;以太網;CAN總線

汪佳彪，王忠賓，張霖，等．基于以太網和CAN總線的液壓支架電液控制系統研究［J］．煤炭學報，2016，41(6):1575－1581．doi: 10．13225/j．cnki．jccs．2016．0504

Wang Jiabiao，Wang Zhongbin，Zhang Lin，et al．Research on electro-hydraulic control system of hydraulic support based on Ethernet and CAN-Bus［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1575－1581．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0504

液壓支架是綜采工作面“三機”配套設備中保證井下工作面安全的重要設備［1－2］。液壓支架的核心為支架電液控制系統，電液控制系統性能好壞是制約液壓支架可靠性和實用性的關鍵部分［3－5］。

近年來，在國際市場上占據領先地位的液壓支架電液控制系統主要有德國DBT公司開發的PM4電液控制系統、MARCO公司開發的PM31和PM32電液控制系統以及美國JOY公司研制的RS20型電液控制系統［6－7］。國內支架電液控制系統的生產研發企業有北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，四川神坤裝備有限公司，廣州日濱科技發展有限公司，鄭州煤礦機械集團股份有限公司，其中天瑪公司占國產液壓支架電液控制系統市場銷量的70%［8］。然而進口支架電液控制系統存在價格高、供貨不及時、通訊協議不公開、升級困難，不具備自動控制和自診斷功能等問題［9－10］;國產支架電液控制系統起步晚，功能少，穩定性不好。這嚴重阻礙了我國煤礦工作面現代化的發展。

隨著煤礦綜采工作面不斷朝著智能化、無人化方向發展。支架電液控制系統不僅需要監測支架狀態、成組控制、巷道控制，更應實現地面控制中心對支架進行直接交互通訊、遠程升級維護等功能。這就需要支架與上位機、支架與支架之間的通訊具有更高的速率、穩定性和可靠性。因此本文采用以太網實現支架與上位機進行通訊，并根據實際工況對時分復用算法進行修改，以減少總線的競爭，提高上位機對處理緊急信息的響應速度。采用CAN總線實現支架間的通訊，采用動態優先級提升的方法，保證通訊的實時性和穩定性。且兩種通訊方式可相互替代，增加了支架電液控制系統的冗余性，保證煤礦工作面的安全高效生產。

1　電液控制系統總體設計

液壓支架作為綜采工作面的安全保障，為采煤機割煤提供安全的工作空間。液壓支架電液控制系統具有本架控制、鄰架控制、成組控制、自動跟機、遠程監控等功能［11－12］。

1.1控制系統硬件設計

液壓支架控制系統主要由支架控制器、操作面板、電液換向閥、位移傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器、紅外線傳感器、本安電源等硬件組成，硬件連接如圖1所示。支架控制器是電液控制系統的核心部分，負責處理、發送和接收操作面板的指令、傳感器信息、遠程控制信息、鄰架操作信息等;操作面板是電液控制系統的顯示和操作部分，負責顯示支架的信息以及控制支架進行本架、鄰架以及成組的操作;壓力傳感器通過測量立柱的壓力，用以監測支架的支護狀態;位移傳感器通過測量支架推移油缸的位移，監測支架的推移情況;紅外線接收器通過接收采煤機發射的紅外信號，判斷采煤機的當前運行位置，實現支架自動跟機操作;傾角傳感器通過實時檢測支架的底座、后連桿、掩護梁、頂梁的傾角，從而得到支架的當前姿態［13－16］。支架控制系統結構如圖2所示。

圖1　支架控制系統硬件連接Fig.1　Hardware connection of electro-hydraulic control system

圖2　支架控制系統結構Fig.2　Structure of electro-hydraulic control system

1.2控制系統軟件設計

支架電液控制系統具有本地控制、遠程監控兩種模式。本地控制通過操作面板輸入控制命令，進行本架控制、鄰架控制、成組控制、自動跟機等操作。遠程監控由支架控制器通過以太網接口實時發送傳感器的數據至地面控制中心，并且接收地面控制中心的操作命令進行動作。

操作面板的功能:通過識別按鍵，向支架控制器發送對應的操作命令并在顯示器上顯示，程序流程如圖3(a)所示;支架控制器的功能:通過RS485總線、CAN總線、以太網接收和發送傳感器信息及控制命令，程序流程如圖3(b)所示。

圖3 程序流程Fig.3　Program flow chart

2　通信系統設計

2.1以太網通信設計

設計的液壓支架控制器通過以太網接口實現支架與地面控制中心的實時遠程監控。此外當支架控制器的CAN總線出現故障時，可將鄰架控制信息通過以太網發送到被控架上，從而提高支架操作的可靠性。編寫 TCP/IP通訊程序，通過循環執行MonitorEventLoop()函數實現，程序的控制流程如圖4所示。

圖4　以太網程序流程Fig.4　Program flow chart of Ethernet

W5100為一款高性價比的多功能網絡接口芯片，它可以在沒有操作系統的單片機中實現Internet連接，且其 TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)成熟、穩定、可靠，W5100內部還集成有可用于數據傳輸緩存的16 kB存儲器。因此采用其作為以太網的控制芯片，并通過SPI總線實現與STM32F103ZET6芯片的連接，可實現10 Mbps的傳輸速度。

2.2TCP/IP協議設計

支架控制器通過以太網發送給地面控制中心的有兩類信息，一類是周期性信息，為各類傳感器數據;另一類是非周期性信息，包括支架的動作狀態和故障信息。對于周期性的數據，只要能在規定的時間內發送并被上位機接收到即可;對于支架的動作以及故障這類非周期性信息，希望它能盡快的被地面控制中心接收。

根據井下支架的布置以及標準以太網雙絞線傳輸距離的限制，以20臺支架為單位通過雙絞線連接到一臺交換機中，然后將交換機的信號通過光纖轉換器轉換為光纖信號后通過光纖連接到光纖交換機中，最后通過光纖將信號傳輸到地面控制中心。各支架控制器及上位機組成一個星型的網絡結構。其硬件連接如圖5所示。

圖5　以太網硬件連接Fig.5　Hardware connection of Ethernet

使用的以太網屬于標準以太網，具有10 Mbps的傳輸速度，使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)的訪問控制方法。因此當工作面的支架同時向地面控制中心發送傳感器數據時，則會導致總線出現碰撞競爭，由于這些周期性數據是連續發送的，因此總線會一直出現碰撞競爭的現象，不僅加重總線的負擔，還會導致有些數據一直無法傳送，使系統的實時性降低，因此提出使用時分復用的方法對協議進行改進［17－18］。傳感器的數據屬于周期性數據，假設傳感器數據量為100個字節，工作面有200臺支架，TCP/IP的通訊速度為10 Mbps，那么每個傳感器發送數據的時間約為0.8 ms，所有支架發送完一次傳感器數據時間為160 ms，完全能滿足工作面實時性的要求，因此對于周期性信息采用時分復用的方法能消除總線碰撞的現象，提高工作面的實時性;但支架動作信息、故障信息等這類非周期性數據不能及時上傳。因此僅使用普通的時分復用方法就會出現最后的支架不能及時發送非周期性數據，最遲需要159.2 ms后才能發送，這并不符合控制系統實時性的要求，因此對時分復用方法進行改進，考慮到非周期性數據的數據量比較少，因此在每次發送周期信息之前設有0.5 ms的時間為非周期信息的窗口期，用于各支架發送動作信息、故障信息等非實時性數據，這樣非周期性信息最遲只需1.3 ms后就可發送。采用這種方法所有的支架發送完成一次傳感器數據時間為260 ms，完全滿足系統實時性要求。具體流程如圖6所示。

圖6　改進的時分復用方法Fig.6　Improve of TDM algorithm

2.3CAN總線通信設計

支架控制器通過CAN總線實現支架的本地操作，具體操作內容包括:鄰架控制、成組控制等功能，此外當控制器的以太網傳輸出現故障時，可以由CAN總線發送遠程控制命令，從而提高支架監控的可靠性。編寫CAN通訊程序，通過循環執行ControlEventParser()函數實現，程序流程如圖7所示。

圖7CAN總線程序流程Fig.7　Program flow chart of CAN-Bus

支架控制器 STM32F103ZET6芯片集成兩路CAN總線接口和CAN通訊協議，因此不需要外接CAN控制器，只需要設計外圍電路即可進行通訊，為了保證CAN總線在井下通訊時防止電磁干擾造車通訊異常等問題，使用ADM3053對CAN總線的通訊進行隔離保護。

2.4CAN協議設計

設計的液壓支架電液控制系統中由CAN總線發送的控制命令有鄰架控制、成組控制、急停閉鎖控制以及遠程控制。遠程控制是指當支架電液控制系統的以太網總線出現問題時，由別的支架控制器通過CAN總線發送遠程控制命令。這些命令都是非周期性命令，其優先級高低依次為急停閉鎖控制、鄰架控制、成組控制以及遠程控制。

CAN總線采用了多主競爭式總線結構，采用CAN采用非破壞總線仲裁技術，即波監聽多路訪問/避免碰撞(CSMA/CA)的介質訪問控制方式，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信［19－20］。CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。如果同一時間內工作面上有多個工人同時對支架進行鄰架以及成組操作，會出現多個節點同時向總線發送控制信息，造成總線碰撞擁堵。一旦總線中的控制命令出現碰撞，就按控制信息的優先級高低進行排序發送，優先級低的信息會不斷延遲發送，降低系統的實時性。

采煤機運行后方的液壓支架需要其盡快的進行采空區支護以保證工作面的安全，因此希望其有較高的優先級，距離采煤機越遠其優先級越高，而在采煤機運行前方的支架則是需要距離采煤機越近優先級越高，因此對CAN協議中的11位優先級標識符重新設計，將其分成兩部分，第1部分表示控制指令的優先級，另一部分根據采煤機運行方向來確定支架節點的編號，沿著采煤運行的方向對支架從0開始編號。但采用此方法，優先級最低的信息在總線的競爭中仍然會不斷的延后，降低系統的實時性。因此引入動態優先級提升的算法［21－22］，根據節點信息仲裁失敗的次數動態提升其優先級。標識符見表1。

表1CAN協議標識符Table 1　Tag of CAN protocol

為保證工作面的安全，急停閉鎖控制指令的優先級是最高的，因此在優先級提升的過程中，其余指令優先級不能超過急停閉鎖的優先級。設計對應的提升算法，0為最高的優先級，7為最低的優先級，若當前指令的初始優先級為a，其碰撞的失敗次數為n，則其提升的優先級為

其中a必須大于等于1。若控制信息在預定時間內仍未發送成功，則直接提升其優先級為1。控制流程如圖8所示。

圖8　動態優先級提升算法流程Fig.8　Program flow chart of priority promotion dynamic scheduling algorithm

3　通訊實驗

3.1TCP通訊實驗

為驗證設計的支架電液控制系統的以太網通訊功能是否符合實際工況需求，設計如下實驗，實驗1:支架控制器定時向上位機發送數據;實驗2:上位機向支架控制器發送控制命令。為驗證上述實驗，控制面板通過RS485串口與支架控制器進行連接，支架控制器通過以太網接口與無線路由器連接，無線路由器通過無線網與上位機連接，設置上位機的IP地址為192.168.1.118，端口為8087;支架控制器的IP地址為192.168.1.30，端口為49166。硬件連接如圖9所示。

圖9　TCP通訊實驗硬件連接Fig.9　Hardware connection of TCP communication experiment

實驗1通過編寫程序使支架控制器定時向上位機發送代碼，實驗結果如圖10(a)所示;實驗2通過上位機向支架控制器發送控制命令，支架控制器在接收到控制命令后在控制面板顯示對應的信息，實驗結果如圖10(b)所示。

圖10　TCP通訊實驗Fig.10　Experiment of TCP communication

實驗結果表明，上位機能正常的對支架控制器進行遠程監控，滿足設計要求。

3.2CAN總線通訊實驗

為驗證設計的支架電液控制系統的CAN總線通訊功能是否符合實際工況需求，設計如下實驗，實驗1:支架控制器1通過CAN總線控制支架控制器2，并將控制結果在液晶顯示器上顯示;實驗2:上位機通過支架控制器1來控制支架控制器2。為驗證上述實驗，控制面板1，2通過RS485串口分別與支架控制器1，2連接，支架控制器1，2通過CAN總線端口相互連接，另外，支架控制器1通過以太網與無線路由器連接，路由器通過無線網與上位機連接，硬件連接如圖11所示。

圖11CAN總線實驗硬件連接Fig.11　Hardware connection of CAN-Bus experiment

實驗1，通過控制面板1向支架控制器2發送控制命令并在控制面板2上顯示對應的控制信息，實驗結果如圖12(a)所示。實驗2上位機通過支架控制器1向支架控制器2發送遠程控制指令并顯示，實驗結果如圖12(b)所示。

圖12CAN總線通訊實驗Fig.12　Experiment of CAN-Bus communication

實驗結果表明，支架控制器通過CAN總線能準確控制鄰架，且可通過別的支架控制器通過CAN總線進行遠程操控，確保支架控制系統的安全穩定。

4　總　　結

(1)支架控制器能夠獨立、互不干擾、及時的完成各項基本的通訊以及操作功能。

(2)支架控制器的以太網通訊以及CAN總線通訊能夠相互替代，提高了系統的冗余性和可靠性。

(3)通過使用以太網作為支架與上位機的通訊方式，使得工作面所有支架完成一次數據上傳至地面控制中心的時間為260 ms，大大提高了系統的實時性。

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中圖分類號:TD655;TD355

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1575－07

收稿日期:2016－04－22修回日期:2016－05－05責任編輯:許書閣

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2014CB046300);國家自然科學基金聯合基金資助項目(U1510117)

作者簡介:汪佳彪(1992—)，男，浙江紹興人，碩士研究生。E－mail:wangjiabiao_cumt@163．com。通訊作者:王忠賓(1972—)，男，安徽蕭縣人，教授，博士生導師。Tel:0516－83590758，E－mail:wangzbpaper@126．com

Research on electro-hydraulic control system of hydraulic support based on Ethernet and CAN-Bus

WANG Jia-biao1，WANG Zhong-bin1，ZHANG Lin1，2，XU Jing1，LI Fu-sheng3
(1．School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou221116，China;2．Institute for Neural Computation，University of California，San Diego(UCSD)，California92093，USA;3．Zhongping Energy Chemical Group Tiangong Machinery Manufacturing Co．，Ltd．，Pingdingshan 467000，China)

Abstract:Based on the low reliability and real-time performance of current hydraulic support remote control system，a novel control system was proposed to combine Ethernet and CAN-bus，the system architecture was built and the program was implemented．According to the actual working condition，some improvements were achieved．The characteristics of hydraulic support control system was analyzed，and the TCP/IP communication protocol based on improved TDM was tested for estimating the theoretical loop time(260 ms)，which satisfied the communication requirement．The local control characteristics of hydraulic support were analyzed，the CAN-Bus communication based on dynamic priority algorithm was designed for reducing communication conflicts and low reliability．By combining TCP/IP and CAN-Bus，the redundant-ability and reliability were improved．Finally，the experiment was conducted to verify the communication function and prove the high reliability and real-time performance of hydraulic support control system．

Key words:electro-hydraulic control system;hydraulic support;Ethernet;CAN-bus