張?zhí)? 羅維東

(北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 北京 100083)

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經(jīng)驗(yàn)交流

電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

張?zhí)? 羅維東

(北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 北京 100083)

針對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，對(duì)電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)采用分布式CAN總線實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸和鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集；以無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，利用TCP/IP異步傳輸原理，通過(guò)車載客戶端子系統(tǒng)和服務(wù)器子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

煤炭開(kāi)采; 電傳動(dòng)； 鏟運(yùn)機(jī)； 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸； 分布式CAN總線； TCP/IP異步通信

0 引言

為了解決危險(xiǎn)采場(chǎng)的出礦問(wèn)題，降低采礦作業(yè)危險(xiǎn)，遙控甚至無(wú)人采礦設(shè)備已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外同行研究的重點(diǎn)[1-2]。隨著電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，更多的地下采礦設(shè)備采用電傳動(dòng)系統(tǒng)。電傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)控制、設(shè)備優(yōu)化和維護(hù)等。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和異地存儲(chǔ)，成為采礦設(shè)備自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制研究必不可少的技術(shù)手段。 本文以電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了其遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

本文討論的電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)為四輪驅(qū)動(dòng)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能通過(guò)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)整流器和逆變器輸入4個(gè)輪邊電動(dòng)機(jī)，輪邊電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，為車輛提供動(dòng)力。由于鏟運(yùn)機(jī)上采用的電子控制單元數(shù)量較多，電傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須實(shí)現(xiàn)各個(gè)電控單元間的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。CAN總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠性高、連接便捷、節(jié)點(diǎn)設(shè)置不受限制、錯(cuò)誤檢測(cè)能力良好等優(yōu)點(diǎn)，在車輛控制系統(tǒng)上已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用[3]，因此采用CAN總線實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

為了滿足日常生產(chǎn)的通信需求，地下礦山的巷道中通常鋪設(shè)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，與調(diào)度中心的網(wǎng)絡(luò)相連。因此，電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以該無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，以TCP/IP協(xié)議作為通信協(xié)議，利用Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

根據(jù)作用的對(duì)象不同，電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分成了2個(gè)子系統(tǒng)：車載客戶端子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)。車載客戶端子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)送實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和接收操作臺(tái)指令，并將控制指令發(fā)送給主控制器；遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，解析處理數(shù)據(jù)和發(fā)送操作臺(tái)指令。由于系統(tǒng)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量較大，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用異步TCP通信方式[5-6]。

2 分布式CAN總線網(wǎng)絡(luò)

由于電傳動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜性較高，控制對(duì)象在結(jié)構(gòu)上相對(duì)分散，所以，按照功能將整個(gè)控制系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，形成分布式控制結(jié)構(gòu)[4]。分布式CAN總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式CAN總線結(jié)構(gòu)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)以電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)的主控制器為核心，分為4路CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，采用主從式通信模式。CAN1為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器直接與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的電控單元(Electronic Control Unit, ECU)進(jìn)行通信，遵循SAE J1939協(xié)議；CAN2為車輛動(dòng)力控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器對(duì)包括勵(lì)磁控制器、斬波制動(dòng)控制器和輪邊牽引電動(dòng)機(jī)逆變器進(jìn)行控制；CAN3為輔助控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器對(duì)鏟運(yùn)機(jī)鏟裝機(jī)構(gòu)的液壓控制器、顯示屏、儀表等進(jìn)行控制；CAN4為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，主控制器將其他網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至車載計(jì)算機(jī)。為了提高每個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，在各網(wǎng)絡(luò)的終端加入120 Ω的終端電阻。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信波特率采用250 kbit/s可以滿足通信需求。為了保證CAN總線通信暢通，總線占用率最好保持在33%～66%。根據(jù)位填充技術(shù)，數(shù)據(jù)幀m的最壞總線占用時(shí)間Cm為

(1)

式中：dm為數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)，該通信協(xié)議下最大為8；τbit為位時(shí)間,在250 kbit/s波特率下為0.004 ms。

由于CAN2運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量最大，為了統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其他網(wǎng)絡(luò)的通信周期以CAN2為標(biāo)準(zhǔn)，則CAN2中全部數(shù)據(jù)幀的最壞總線占用時(shí)間之和約為10.5 ms。因此，可選取的通信周期為15～30 ms。根據(jù)主控制器工作周期，本文選取25 ms為CAN總線通信周期。

由于各個(gè)控制器的啟動(dòng)時(shí)間不同，尤其是車載計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間晚于其他控制器，為了保證車載運(yùn)行數(shù)據(jù)的完備性，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)后的握手檢驗(yàn)系統(tǒng)。主控制器啟動(dòng)后不斷向其他控制器發(fā)送握手信號(hào)，其他控制器收到握手信號(hào)后向總線發(fā)送握手反饋信號(hào)，主控制器收到全部握手反饋信號(hào)后，跳出握手檢驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)始執(zhí)行行車控制。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 車載客戶端子系統(tǒng)

車載客戶端子系統(tǒng)將CAN總線傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理后進(jìn)行本地存儲(chǔ)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度中心數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互；同時(shí)解析操作臺(tái)的控制指令，通過(guò)CAN總線將控制指令發(fā)送到主控制器。車載客戶端子系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

3.2 遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)主要由2個(gè)部分構(gòu)成，第1部分的作用是接收車載客戶端子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將駕駛員所要了解的車輛信息(如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位狀態(tài)等)顯示出來(lái)，并將解析后的數(shù)據(jù)存入調(diào)度中心的數(shù)據(jù)庫(kù)；第2部分的作用是響應(yīng)操作臺(tái)控制器采集到的控制指令(手柄、踏板等)，

(a)第1部分(b)第2部分

圖3 車載客戶端子系統(tǒng)軟件流程

并向車載客戶端子系統(tǒng)發(fā)送控制指令。遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

(a) 第1部分

(b) 第2部分

3.3 數(shù)據(jù)通信校驗(yàn)

為防止網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，在客戶端與服務(wù)器的通信中加入校驗(yàn)信息。當(dāng)車載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被解析并封裝成數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)，待發(fā)送數(shù)據(jù)包就是一個(gè)包含有用數(shù)據(jù)的數(shù)組。對(duì)數(shù)組中的值進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，得出CRC值，再將CRC值附到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行發(fā)送。

服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后提取出CRC值，并對(duì)數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，再將得出的值與收到的CRC值進(jìn)行比對(duì)。若兩值相等，則說(shuō)明數(shù)據(jù)可信，該包數(shù)據(jù)會(huì)被系統(tǒng)解析，并存儲(chǔ)及顯示；若兩值不相等，則說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸有誤，直接舍棄該包數(shù)據(jù)并等待下一包數(shù)據(jù)?？蛻舳藬?shù)據(jù)校驗(yàn)原理類似?？蛻舳撕头?wù)器數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a) 客戶端

客戶端和服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包分別以相應(yīng)的起始標(biāo)志符開(kāi)始，隨后依次為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)，最后以終止標(biāo)志符結(jié)束。各區(qū)域間用“ ; ”分隔，數(shù)據(jù)區(qū)各數(shù)據(jù)之間用“ , ”分隔。

4 結(jié)語(yǔ)

電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用分布式CAN總線結(jié)構(gòu),利用TCP/IP異步傳輸原理實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能。分布式CAN總線結(jié)構(gòu)具有很高的可靠性，可以有效采集實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù),利用TCP/IP異步傳輸原理進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信具有可行性。

[1] 戰(zhàn)凱,顧洪樞,周俊武,等.地下遙控鏟運(yùn)機(jī)遙控技術(shù)和精確定位技術(shù)研究[J].有色金屬,2009,61(1):107-112.

[2] 高夢(mèng)熊.國(guó)內(nèi)外地下金屬礦山采礦車輛的現(xiàn)在與未來(lái)[C]//中國(guó)礦業(yè)科技大會(huì)論文集,蘇州,2010:43-64.

[3] 楊超,劉立,陳樹(shù)新,等.基于CAN總線的地下鏟運(yùn)機(jī)遙控系統(tǒng)的研究[J].礦山機(jī)械,2011,39(3):30-32.

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[5] 徐小東.基于socket技術(shù)的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:上海交通大學(xué),2006.

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Research on remote data transmission system of underground electric drive scraper

ZHANG Xiao， LUO Weidong

(School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In view of problem that a large amount of real-time data will be generated during operation of electric drive system, remote data transmission system of underground electric drive scraper was studied. The system uses distributed CAN bus to realize industrial field data transmission and operation data collection of scraper, takes wireless communication network as transmission channel, adopts principle of TCP/IP asynchronous transmission, and realizes onboard data remote transmission by onboard client subsystem and server subsystem.

coal mining; electric drive; scraper; remote data transmission; distributed CAN bus; TCP/IP asynchronous communication

1671-251X(2016)11-0064-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.015

張?zhí)? 羅維東.電傳動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：64-66.

2016-04-26；

2016-09-20；責(zé)任編輯：胡嫻。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AA060408)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAB02B07)。

張?zhí)?1986-)，男，河北石家莊人，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡妭鲃?dòng)礦用車輛行駛控制策略及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析等，E-mail:zhangxiao_miracle@126.com。

TD655

A

時(shí)間：2016-10-28 16:29

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1629.015.html