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1 液壓支架電液控制系統(tǒng)的通訊方式分析 液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。當(dāng)前國(guó)際上主流的液壓支架電液控制系統(tǒng)有：DBT公司的PM4、MARCO公司的PM31和JOY公司的RS20型3種。在通訊方面，PM4架間通過(guò)BIDI Bus互聯(lián)成綜采面網(wǎng)絡(luò)。這種方式的缺點(diǎn)在于，一旦控制器不能正常工作，將導(dǎo)致控制系統(tǒng)通訊的中斷。PM31架間的通訊通過(guò)BIDI Bus，全工作面的互聯(lián)則采用T Bus。RS20控制器間通過(guò)一條19芯強(qiáng)電纜連接，其中的8根線用于通訊和緊急閉鎖。可以看出，PM4與PM31都采用總線的方式進(jìn)行通訊，但都不是標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。通過(guò)對(duì)3種控制器的剖析發(fā)現(xiàn)，它們的技術(shù)思路形成較早，且產(chǎn)品一直延續(xù)著早期形成的思路。而現(xiàn)場(chǎng)總線的提出相對(duì)較晚。與現(xiàn)場(chǎng)總線方式相比，早期的技術(shù)思路存在著如下幾點(diǎn)缺陷：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要消耗較多的系統(tǒng)資源；沒(méi)有提供可靠高效的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)重發(fā)完全靠用戶編制的軟件實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤處理能力不強(qiáng)。為了保證通訊的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，就必須編制完善的調(diào)度程序和通信協(xié)議，這就增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度和開(kāi)發(fā)周期。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)則可較好的解決上述問(wèn)題。 2 CAN總線的特點(diǎn) CAN(controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。由于其高可靠性、靈活性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來(lái)越受到人們的重視并被廣泛的應(yīng)用于航海、航空、醫(yī)療及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域。CAN總線的特點(diǎn)可以概括如下： (1)通信方式靈活。CAN既可以采用多主方式，也可以采用單主多從的方式。 (2)CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。 (3)通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)的“調(diào)度”。 (4)CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（傳輸速率5kb/s以下）；通信速率最高可達(dá)1Mb/s（通信距離最長(zhǎng)為40m）。 (5) CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。 液壓支架電液控制系統(tǒng)是一種分布式控制系統(tǒng)。而CAN總線自身的特點(diǎn)使CAN總線能夠有效的支持分布式控制。結(jié)合CAN總線在分布式控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用以及液壓支架電液控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將CAN總線應(yīng)用于液壓支架電液控制系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢(shì)。 3 CAN總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 基于CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)中，每個(gè)支架控制器都是一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于CAN總線驅(qū)動(dòng)器最多支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，當(dāng)綜采面的支架數(shù)超過(guò)該數(shù)目時(shí)，還需配備CAN總線中繼節(jié)點(diǎn)。因此，電液控制系統(tǒng)的CAN總線上包括兩類節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)。 圖1 基于CAN總線的電液控制系統(tǒng) 3.1 普通CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) CAN總線的兩層協(xié)議固化在它的相關(guān)芯片中，主要是總線控制器和總線驅(qū)動(dòng)器。總線驅(qū)動(dòng)器選用Philips的PCA82C250。總線控制器則采用Motorola單片機(jī)中自帶的MSCAN模塊。該模塊是Motorola為16位MCU設(shè)計(jì)的通用CAN通信模塊。采用自帶CAN模塊的Motorola單片機(jī)在最大程度上簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)，普通CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。 3.2 CAN總線中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 普通CAN節(jié)點(diǎn)只需使用1個(gè)MSCAN模塊，而CAN總線中繼節(jié)點(diǎn)則要用到單片機(jī)中的2個(gè)MSCAN模塊，通過(guò)外加驅(qū)動(dòng)電路分別連接到CAN總線的兩個(gè)網(wǎng)段上，實(shí)現(xiàn)中繼的功能。 中繼節(jié)點(diǎn)接收3種數(shù)據(jù)幀：廣播數(shù)據(jù)幀，需要被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀以及針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。對(duì)應(yīng)于要接收的3種數(shù)據(jù)幀，分別設(shè)置3個(gè)接收濾波器。而普通節(jié)點(diǎn)只需設(shè)置2個(gè)濾波器即可滿足要求。從轉(zhuǎn)發(fā)的方式來(lái)講，轉(zhuǎn)發(fā)有直接轉(zhuǎn)發(fā)和翻譯轉(zhuǎn)發(fā)兩種。直接轉(zhuǎn)發(fā)是最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)方式。采用直接轉(zhuǎn)發(fā)方式要求兩個(gè)網(wǎng)段具有相同的數(shù)據(jù)幀格式，而數(shù)據(jù)幀格式不同時(shí)則需要采用翻譯轉(zhuǎn)發(fā)的方式。在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，所有網(wǎng)段的數(shù)據(jù)幀格式都是相同的。因此，中繼節(jié)點(diǎn)采用直接轉(zhuǎn)發(fā)方式。 圖2 CAN總線節(jié)點(diǎn)電路原理圖 由于通信實(shí)時(shí)性的要求以及節(jié)省中繼節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的緩存，在進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要求做到存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間盡量短。為了達(dá)到這一要求，CPU采用中斷方式接收兩個(gè)MSCAN控制器的報(bào)文，同時(shí)采用了FIFO機(jī)制管理內(nèi)部的接收緩沖區(qū)。FIFO緩沖區(qū)共有兩個(gè)指針：接收數(shù)據(jù)指針和發(fā)送數(shù)據(jù)指針。當(dāng)兩指針不相等時(shí)即證明緩沖區(qū)中存有有效數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)指針的調(diào)整是通過(guò)接收中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，而發(fā)送數(shù)據(jù)指針的調(diào)整則是通過(guò)發(fā)送中斷子程序?qū)崿F(xiàn)。CAN總線中繼節(jié)點(diǎn)的報(bào)文處理流程如圖3所示。 圖3 中繼節(jié)點(diǎn)報(bào)文處理流程圖 3.3 CAN總線本安防爆設(shè)計(jì) CAN總線是一種非防爆總線，將CAN總線應(yīng)用液壓支架電液控制系統(tǒng)首先要解決CAN總線的防爆問(wèn)題。根據(jù)本安防爆技術(shù)，解決CAN總線電氣防爆基本有兩種方法，一種是統(tǒng)一供電法，另一種是隔離供電法。統(tǒng)一供電法就是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作電流和傳輸電流均由總線供給。隔離供電法是將節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作電源與傳輸電源分隔開(kāi)，總線僅提供傳輸電源，而節(jié)點(diǎn)工作電源可就地供給。 比較隔離供電法與統(tǒng)一供電法發(fā)現(xiàn)，隔離供電法不但要為總線傳輸電路專門(mén)配備一臺(tái)電源，還要為支架控制器另外鋪設(shè)供電線纜，給安裝、維修帶來(lái)不便，增加系統(tǒng)成本。統(tǒng)一供電法對(duì)系統(tǒng)比較適合。針對(duì)統(tǒng)一供電法中總線上所接節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電源適配器與通訊適配器。電源適配器與通訊適配器之間的支架控制器構(gòu)成一組支架控制器，由總線統(tǒng)一供電。組中支架控制器的數(shù)量由電源的負(fù)載能力，控制器的功耗以及本安防爆的要求來(lái)確定。 電源適配器與通訊適配器的作用是將組與組的電源完全隔離，同時(shí)保證通訊的暢通。電源適配器的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。光藕選用Philips的速率為1Mbps的6N136。 圖4 電源適配器原理圖 通訊適配器與電源適配器的結(jié)構(gòu)相似，同樣包含兩片6N136。與電源適配器不同的是，通訊適配器由總線供電，而電源適配器由電源直接供電。 4 結(jié) 語(yǔ) 本文分析了目前液壓支架電液控制系統(tǒng)所采用的通訊方式，采用了CAN總線實(shí)現(xiàn)支架控制器間的通訊。克服了CAN總線無(wú)本質(zhì)安全防爆的缺陷。設(shè)計(jì)了CAN總線中繼節(jié)點(diǎn)，克服了CAN總線上最多只能支持110個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制。從實(shí)驗(yàn)效果看，新方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，誤碼率低，通訊速率高的特點(diǎn)，更好的保證了系統(tǒng)的安全。 作者：孫曉健 張東來(lái) 來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息 |
