基于CAN總線的礦用自移設備列車控制系統設計*

田克君

(1. 中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在井下綜采工作面順槽中一般布置有乳化液泵、開關組、負荷中心等機械設備，為綜采工作面提供各種動力源[1]。隨著采煤機和轉載機的向前推移，這些設備也需要不斷地向前移動。目前我國設備列車仍然以前移的方法來實現列車自動邁步前移、行走等功能[2]。超長距離自移設備列車及配套裝備(下稱自移設備列車)集成列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能，實現錨固牽引裝置帶動整個設備列車及配套裝備的邁步式前移，綜采工作面順槽作業成套化、系統化和自動化[3]。為滿足自移設備列車各組成部分的邁步、前移、承載等功能，同時實現整個系統的自動化、無人化管理，對電氣控制系統提出了新要求。

近十年來，在煤礦井下CAN現場總線控制系統已經不斷地應用并組建現場總線系統。

CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，由于其通信速率高、可靠性好、價格低廉等特點，被廣泛應用于車輛控制、樓宇自動化、數控技術等各種控制領域中[4]。作為一種多主方式、高速率、高可靠性的串行通信總線，CAN總線非常適用于自移設備列車這種分布式實時控制系統。

根據礦用設備列車控制系統的控制單元多、距離長、實時性要求高、同步(交叉)邁步特性，利用CAN總線實時性強、多主控制、抗干擾性強等特點，結合自移設備列車的牽引行走、邁步自移、升降等特點，本文設計了礦用設備列車控制系統并得以應用。

1 系統方案

自移設備列車布置于運輸順槽巷道，由錨固牽引裝置、邁步自移裝置、管纜伸縮承載系統和控制系統4部分組成。

自移設備列車前部配置錨固牽引裝置，后面有多輛平板車(超過40輛)，總長度超過220 m，具體組成如圖1所示。平板車控制要求可以同時提升或分組提升。設備列車位于軌道之上，與軌道互為支點，實現邁步前移。

圖1 自移設備列車組成

系統中牽引車和每個平板車控制單元作為一個CAN節點接入CAN網絡，各個控制單元組成一個CAN現場總線實時控制網絡，如圖2所示。

圖2 自移設備列車控制系統

牽引車配有控制器、液壓動力站、顯示單元等。液壓動力站為整個系統提供液壓動力，是液壓元件的動力源。顯示單元集中顯示控制系統的狀態信息。牽引車控制單元除了完成泵站啟停、系統壓力監測之外，還需要對各平板車單元進行油缸升降的集中控制；同時，可以通過CAN網絡讀取系統中其他單元(包括平板車單元)的各個參數，并將控制內容發送至CAN網絡。

各個平板車控制單元實時監測本單元的提升油缸和推移油缸的位移參數，以及本單元的管路壓力和液壓油溫度，并將這些數據實時發送至CAN網絡；同時，還可以接受CAN網絡中其他單元(包括牽引車單元)的狀態信息和控制內容。

在整個控制系統中，每個控制單元不分主從，都可以通過本單元對控制系統進行控制，實現對各平板車的集中管理，完成設備列車的統一調度，實現整個平板車組的自動邁步前移、升降。

各個單元除了可以完成集中控制外，還可以完成本地控制，便于進行本地單元的手動操作。

2 控制器設計

設備列車控制器包括硬件系統和軟件系統。采用嵌入式系統分層結構的設計思想[5]，分別對硬件系統和軟件系統進行設計，便于硬軟件工作的開展與銜接。控制器系統結構如圖3所示。

圖3 控制器系統結構

硬件系統包括嵌入式微控制器、CAN功能部件及油缸位移采樣、推移和升降驅動電路。其中，嵌入式微控制器為系統的控制核心和運算核心；功能部件包括CAN功能部件和其他功能部件，這些功能部件通過外圍電路與外界交互；油缸位移采樣電路完成對油缸活塞桿伸出長度的檢測并進行A/D轉換；油缸推移、升降電路完成對推移油缸、升降油缸的驅動控制，通過驅動油缸的推移和升降，從而實現設備列車的整體邁步平移和各平板車的升降。

軟件系統包括底層實時操作系統、CAN驅動庫和其他驅動庫(如模數轉換、中斷等)[6]。應用層軟件包括油缸位移采樣子程序和油缸推移、升降子程序。由于在油缸中加入了位移控制器，在油缸推移和升降過程中，需要對油缸位移進行反饋比較，從而實現油缸推移和升降的閉環控制，進一步實現自移設備列車的整體前移、升降同步控制。

設備列車平板車控制器采用嵌入式微控制器作為核心控制器，硬件結構如圖4所示。該控制器的優點是芯片內部集成了很多功能，如ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、串行口、脈寬調制輸出口等[7]。

圖4 控制器硬件結構

油缸位移等模擬量輸入信號(如1～5 V電壓、4～20 mA電流等)通過A/D轉換和信號調理后接入中央控制器，模擬量輸出通過D/A轉換后接電磁閥以控制油缸的升降速度。陣列鍵盤用于系統參數設置，其通過鍵盤芯片后經片內串行總線SPI直接和微控制器完成數據交換。控制按鍵用于控制設備列車的推移、升降，其直接接入微控制器的GPIO。開關量輸出通過將GPIO的輸出信號進行調理放大后驅動繼電器，將開關量輸出信號給電動機控制系統。另外，硬件中還有LCD顯示屏驅動和顯示內容控制、以太網接口等。

CAN硬件電路有2種方案：一種是使用帶片內CAN控制器的微控制器，這種方法電路圖緊湊，便于制作電路板，同時減少硬件故障；另外一種是使用獨立的CAN控制器，例如SJA1000、MCP2510等。從減少成本和降低故障率的角度考慮，本方案中使用帶CAN控制器的ARM芯片，選用PCA82C250收發器實現控制器和物理傳輸線路之間的連接轉換。另外，本系統設計了兩路CAN通信網絡。一路為礦用設備列車控制系統牽引車和各平板車之間通信；另一路接入井下工業自動化CAN網絡，為井下自動化系統提高網絡接口，便于信息的共享與連通。這樣設計的優點是本地CAN網絡和井下系統CAN網絡分別建立，防止不同CAN網絡之間的干擾信息傳入，減少CAN網絡故障，降低數據傳輸丟包率。同時，若某一路CAN網絡出現故障時，可以通過簡單的設置實現兩路CAN網絡的切換，便于快速恢復網絡，實現網絡冗余。

3 CAN通信協議

CAN協議的數據幀和遙控幀有標準格式和擴展格式兩種。標準格式有11位標識符，擴展格式有29為標識符。由于設備列車CAN網絡系統中節點數量不多(小于100)，便于網絡識別和數據傳送，所以采用標準幀格式。牽引車和各平板車分別對應不同的ID號，ID號編碼規則見表1。在牽引車單元中

表1 標識符號分配

的系統控制設置功能對應報文由牽引車單元發送、各平板車單元接收，各單元報文格式見表2和表3。

在每個控制單元中有CAN控制和狀態子程序，便于將CAN通信網絡中不同標識符的控制內容和狀態內容分別轉換成便于系統統一管理的變量，提高程序的可讀性和編程效率。

表2 牽引車單元報文

表3 平板車單元報文

需要特別注意的是，由于一個單元可以有多個標識符，所以要根據不同單元、不同功能來分配標識符，避免標識符重復，造成CAN總線通信故障。

4 結語

以液壓為動力，集成自帶軌道、高度集成列車自移、行走調偏、管纜隨動、防掉道等功能的礦用自移設備列車要求控制系統具有分布式控制、實時性、本地/主控切換等功能。基于CAN總線的FCS控制系統可以連接多個控制單元、實時完成控制指令和執行機構的控制，同時監測系統的運行狀態。通過驗證，自移設備列車取得了優良的使用效果，首次使綜采工作面順槽運輸作業成套化、系統化、自動化。

限于篇幅，本文未對控制系統中的其他功能(如自移、行走、自動補液等)做介紹。