余佳鑫，黃金福，王新軍，馬鵬宇

（廣州日濱科技發(fā)展有限公司，廣東廣州 510660）

0 引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是實現(xiàn)煤炭綜采工作面高產(chǎn)高效的關鍵技術設備。系統(tǒng)一般由控制器、電源、隔離器、驅(qū)動器等設備組成，其中控制器是整個系統(tǒng)的核心部件，多個控制器通過一定的連接方式進行組網(wǎng)，從而實現(xiàn)對工作面液壓支架控制、監(jiān)測及異常響應等功能[1]。當前國內(nèi)外從事液壓支架電液控制系統(tǒng)研發(fā)、制造的廠家和機構眾多，在系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的實現(xiàn)上也各具特色，但這些通信網(wǎng)絡大多數(shù)是通過RS485、CAN等總線通信實現(xiàn)，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(xiàn)成的軟硬件設計規(guī)范來支持這種總線通信網(wǎng)絡設計，但這種二次開發(fā)應用的針對性不強，難以根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)的特點，從深層次地去進行一些通信準確性和系統(tǒng)可靠性的研究設計。本文從通信網(wǎng)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(tǒng)控制器上的，基于OSI模型的“點對點”通信網(wǎng)絡設計。

1 通信網(wǎng)絡概述

液壓支架電液控制系統(tǒng)是一種由多個控制器聯(lián)網(wǎng)組成的分布式控制系統(tǒng)，控制器數(shù)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(wǎng)絡號。對于這樣的系統(tǒng)，常用的現(xiàn)場總線通信都體現(xiàn)出弊端，如RS485總線，其總線節(jié)點最多為32個，超過32個節(jié)點時往往需要使用中繼器進行二次組網(wǎng)[3-4]；又如CAN總線，要達到理論上的110個節(jié)點，首先需要解決總線驅(qū)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(qū)動和二次組網(wǎng)[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(wǎng)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(huán)境惡劣的煤礦工作面上顯然行不通。

根據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)這一特點，本文提出了一種點對點網(wǎng)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(lián)，通信數(shù)據(jù)在各個控制器之間互相傳遞，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)。

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(wǎng)絡協(xié)議參照OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型，并在OSI模型的基礎上進行剪裁，僅保存物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層及應用層，如圖2所示。

圖2 基本單元網(wǎng)絡協(xié)議模型

與傳統(tǒng)的RS485、CAN等總線通信網(wǎng)絡相比，本文提出的點對點通信網(wǎng)絡在應用于液壓支架電液控制系統(tǒng)時具有以下優(yōu)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(xiàn)控制器自動按順序分配網(wǎng)絡號；

圖3 物理層設計

（4）完善的通信糾錯和數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級設置機制，平衡通信質(zhì)量與負荷量。

2 通信網(wǎng)絡設計

以下將對通信網(wǎng)絡中基本單元網(wǎng)絡協(xié)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(jù)。

2.1 物理層

物理層的主要功能是對通信數(shù)據(jù)中的每一個bit進行電氣特性的約定，硬件基礎為一種經(jīng)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(fā)為例，在發(fā)送控制器端，MCU發(fā)出TTL電平的UART信號經(jīng)過驅(qū)動和電壓提升，作為發(fā)送控制器的輸出信號；在接收控制器端，將信號進行調(diào)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(fā)兩端的電氣特性如下：

（1）傳輸數(shù)據(jù)0時為低電平、數(shù)據(jù)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(qū)動電壓、增強驅(qū)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(fā)信號上的，驅(qū)動的效果不會因為收發(fā)線路的增加而減弱，即不存在阻抗匹配的問題。在30米內(nèi)的通信距離內(nèi)，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(tǒng)應用需求。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是在物理層的基礎上進行可靠的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路層中完成。本設計中，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡協(xié)議幀結構

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層不同，在本通信網(wǎng)絡協(xié)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(shù)據(jù)，且并不通知發(fā)送方重發(fā)，而是由發(fā)送方在傳輸層中統(tǒng)一作超時處理。

2.3 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的地址屬性，并確定數(shù)據(jù)幀如何從發(fā)送方路由到接收方。

系統(tǒng)在每次上電后，由服務器或順槽主機發(fā)起設置網(wǎng)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(wǎng)絡號數(shù)據(jù)，另一方面將該數(shù)據(jù)加1后轉(zhuǎn)發(fā)至下一臺控制器。在設置網(wǎng)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(xù)遞增或遞減的網(wǎng)絡號。

在網(wǎng)絡層進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸路徑，而是在控制器發(fā)送數(shù)據(jù)之前，提前計算好該數(shù)據(jù)傳遞至目標控制器的中轉(zhuǎn)次數(shù)N，并將N加入數(shù)據(jù)幀中，接收到該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的目標控制器，非零時則根據(jù)數(shù)據(jù)的方向進行轉(zhuǎn)發(fā)。而當某些數(shù)據(jù)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(zhuǎn)次數(shù)N標識為255，其他控制器接收后同時提取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)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(xiàn)可靠、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 傳輸層

傳輸層的主要功能是根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的重要性進行分級，并以此實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的流量控制。

在傳輸層中，將數(shù)據(jù)幀定義為命令幀、應答幀和信息幀，建立相應的數(shù)據(jù)幀緩存空間，并對緩存空間中的每個數(shù)據(jù)幀都進行幀序列號的標識。命令幀指由系統(tǒng)手動控制、自動控制等控制相關的通信數(shù)據(jù)幀及異常情況（急停閉鎖，設備故障等）觸發(fā)的通信數(shù)據(jù)幀，通信網(wǎng)絡必須保證這些數(shù)據(jù)幀都能有效傳遞到目標控制器。應答幀指對命令幀應答數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)，首先都要對發(fā)出或轉(zhuǎn)發(fā)該命令幀的控制器進行應答，而發(fā)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(fā)送下一個命令幀，否則將一直重發(fā)當前的命令幀，當某個命令幀重復發(fā)送一定次數(shù)時，判定為通信故障，并啟用相應處理機制。信息幀指數(shù)據(jù)量大但允許少量丟失，而且能夠定時更新的數(shù)據(jù)，例如控制器中用于順槽監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)，信息幀無需等待應答。

根據(jù)以上機制，數(shù)據(jù)幀優(yōu)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(fā)出一定時間內(nèi)未收到相應的應答幀時，將進行重新發(fā)送，這一機制也將數(shù)據(jù)鏈路層中幀校驗失敗的處理一并實現(xiàn)。

根據(jù)點對點通信的特點，距離順槽監(jiān)控主機越近的控制器，其通信數(shù)據(jù)負荷量越大，傳輸層對數(shù)據(jù)幀的處理類似TCP/UDP協(xié)議，既保證重要數(shù)據(jù)的可靠傳輸，又最大限度降低數(shù)據(jù)負荷量。

2.5 應用層

應用層的主要功能是對具體的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層的通信處理流程體現(xiàn)在每一次數(shù)據(jù)收發(fā)的流程中，這種流程及其邏輯處理可方便地在MCU中實現(xiàn)，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(tǒng)中控制器組網(wǎng)的特點，根據(jù)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(tǒng)時的缺陷，并提出一種“點對點”的通信網(wǎng)絡設計，詳細介紹網(wǎng)絡架構、各協(xié)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(wǎng)絡，優(yōu)點在于繞開了總線形式的思維，將通信網(wǎng)絡中功能的實現(xiàn)、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(tǒng)控制器的組網(wǎng)，最終解決了阻抗匹配和按順序分配網(wǎng)絡號兩個總線形式的網(wǎng)絡難以解決的問題。

本文所設計的網(wǎng)絡通信協(xié)議已經(jīng)在液壓支架電液控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，同時系統(tǒng)已應用于多個綜采工作面。

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