吳奶明

(西山煤電集團 東曲礦， 山西 古交 030200)

液壓支架分布于整個綜采工作面，用于支撐工作面頂板，避免發(fā)生煤層坍塌事故，為綜采工作面的采煤機、刮板輸送機以及操作人員提供安全作業(yè)空間，是煤礦井下不可或缺的支護設(shè)備[1-2]. 液壓支架電液控制系統(tǒng)是液壓支架的核心，現(xiàn)有的液壓支架電液控制系統(tǒng)實時性差、可靠性低。綜采工作面作業(yè)長度為80～300 m，所需液壓支架數(shù)量較多，液壓支架的動作與采煤機的位置相關(guān)，位于采煤機后方的液壓支架需要及時、準確地完成推溜、支護頂板的操作。液壓支架在綜采工作面的鋪設(shè)距離較長，每一臺液壓支架都安裝有一個控制器，以實現(xiàn)鄰架控制、成組控制等操作[3]. 針對采用CAN通信協(xié)議實現(xiàn)的液壓支架控制系統(tǒng)，為避免在同一時刻多人同時操作液壓支架而產(chǎn)生的CAN通信指令碰撞和擁堵，設(shè)計并實現(xiàn)基于CAN通信的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略，保證液壓支架控制的安全、穩(wěn)定、及時、有效。

1 CAN通信協(xié)議介紹

CAN是國際標準化的串行通信協(xié)議，其本質(zhì)上是一個廣播類型的總線，具有多主競爭、多主站運行、分散仲裁、廣播通信的特點，可實現(xiàn)多點監(jiān)聽，多點控制。CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)中的其他任意節(jié)點發(fā)送信息。CAN通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式見圖1，包括幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段以及幀結(jié)束。仲裁段表示該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)幀優(yōu)先發(fā)送[4-5]. 由CAN通信的特點可知，如果總線上同一時刻有多個節(jié)點發(fā)送CAN通信信息時，由于優(yōu)先級的存在，可能會造成某一CAN通信信息的延時發(fā)送，甚至是無限延時發(fā)送。在綜采工作面的液壓支架控制系統(tǒng)中，這種情況是不允許發(fā)生的，否則會出現(xiàn)安全事故。

圖1 CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式圖

2 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略

2.1 現(xiàn)有液壓支架CAN通信問題

應(yīng)用CAN通信特點，現(xiàn)有液壓支架控制器采用CAN通信協(xié)議，實現(xiàn)了綜采工作面全部液壓支架的聯(lián)動控制。液壓支架電液控制系統(tǒng)之間的控制指令由CAN通信發(fā)送，主要有鄰架控制、成組控制、急停閉鎖控制以及遠程控制指令。上述指令都是非周期發(fā)送的，優(yōu)先級從高到低依次為急停閉鎖控制指令、鄰架控制指令、成組控制指令以及遠程控制指令。在進行液壓支架控制時，如果在同一時間內(nèi)綜采工作面上有多人同時對液壓支架進行操作，會出現(xiàn)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點，同時向CAN總線發(fā)送信息，使得信息在CAN總線上發(fā)生碰撞和擁堵[6]. CAN通信信息發(fā)生碰撞和擁堵后，按照CAN通信協(xié)議幀格式中的仲裁字段，以優(yōu)先級從高到低次序依次發(fā)送。優(yōu)先級較低的信息延遲發(fā)送，降低液壓系統(tǒng)的實時性。CAN通信數(shù)據(jù)處理流程見圖2，CAN接收中斷到達后，將接收到的CAN通信信息存入接收緩沖區(qū)，如果CAN接收緩沖區(qū)已滿，則調(diào)用CAN通信協(xié)議解析器對接收到的信息進行解析。如果接收到急停閉鎖信息，則對該信息直接進行處理。如果CAN發(fā)送緩沖區(qū)已滿，則更新系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)送并清空緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

圖2 CAN通信數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略

針對現(xiàn)有液壓支架CAN通信機制存在的問題，引入動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略。對CAN通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式中的仲裁段，即標準幀格式中的ID28-ID18 11個bit位進行重新設(shè)計，見表1. 其中，ID28-ID26三個bit位為CAN通信信息的優(yōu)先級位，二進制數(shù)值越低，優(yōu)先級越高，即0×000的優(yōu)先級最高，0×111的優(yōu)先級最低。ID25-ID18 表示該綜采工作面液壓支架的編號，編號原則為采煤機運行方向，從0—255依次編號。如表1所示，“急停閉鎖”的優(yōu)先級為0×000，為最高優(yōu)先級，“遠程控制”的優(yōu)先級為0×111，為最低優(yōu)先級。當(dāng)在CAN通信總線中只要存在“急停閉鎖”信息，其他信息的發(fā)送就會被無限期的延后。

表1 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法CAN通信協(xié)議仲裁段設(shè)計表

引入動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，即設(shè)定當(dāng)前CAN通信信息infox的優(yōu)先級為α，該信息仲裁失敗后，其優(yōu)先級進行動態(tài)調(diào)整，調(diào)整原則為：

α′=α-n|α>1

(1)

其中，α為該CAN通信信息的原優(yōu)先級，α′為該CAN通信信息更新后的優(yōu)先級，n為該CAN通信信息仲裁失敗次數(shù)，且α>1. CAN通信信息的優(yōu)先級在動態(tài)升級過程中，不能超越急停閉鎖的優(yōu)先級，即急停閉鎖的優(yōu)先級始終是最高的。另外，為保證液壓支架控制系統(tǒng)的實時性，定義CAN通信信息在規(guī)定時間內(nèi)仍然沒有發(fā)送出去，則直接將該CAN通信信息的優(yōu)先級設(shè)置為1. CAN通信信息的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法見圖3，首先將等待發(fā)送的信息賦予初始優(yōu)先級α，如果該信息發(fā)送不成功，則按照式(1)規(guī)則動態(tài)提升優(yōu)先級，如果在規(guī)定時間T內(nèi)，該信息仍沒有發(fā)送出去，則直接將該信息的優(yōu)先級置為1，以保證信息按時發(fā)送，確保液壓支架控制的實時性。

圖3 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法流程圖

對液壓支架進行控制的運行參數(shù)保存在端頭控制器的外部存儲器中，存儲形式為控制指令+支架號+前立柱壓力+后立柱壓力+推溜位移+伸縮壓力+狀態(tài)位，見表2. 其中，狀態(tài)位占一個字節(jié)，可表示8個狀態(tài)標志，有間架控制器急停、閉鎖狀態(tài)、推溜到位狀態(tài)、壓力(前立柱壓力、后立柱壓力、伸壓力、縮壓力)正常狀態(tài)等，見表3，為對支架0×1C進行鄰架控制，控制后前立柱壓力為0×3C，后立柱壓力為0×17，推溜位移和伸縮壓力都為0，狀態(tài)位都為0，狀態(tài)正常。

表2 CAN通信動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略數(shù)據(jù)保存格式表

表3 狀態(tài)位位定義表

3 實驗室驗證

在實驗室設(shè)計4組實驗，驗證所設(shè)計的液壓支架CAN通信動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略。

設(shè)計實驗1：驗證動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略中的鄰架控制，液壓支架控制器1通過CAN通信對液壓支架控制器2進行鄰架控制，并進行顯示。實驗結(jié)果見表4.

表4 鄰架控制指令內(nèi)容表

設(shè)計實驗2：驗證動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略中的遠程控制，操作上位機，通過液壓支架控制1控制液壓支架控制器2進行遠程控制，并進行顯示。實驗結(jié)果見表5.

設(shè)計實驗3：驗證動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略中的急?？刂疲簤褐Ъ芸刂破?對液壓支架控制器2進行急?？刂疲瑫r，液壓支架控制3對液壓支架控制2進行升前立柱控制，運行存儲結(jié)果見表4，控制指令為急停000，狀態(tài)位為80.

設(shè)計實驗4：驗證動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略中的成組控制，對編號為1C-21的液壓支架進行成組升前立柱控制，運行后的存儲結(jié)果見表5. 表5所示為完成支架號為1C-21升前立柱的動作控制，且狀態(tài)位都為00，狀態(tài)正常。

表5 遠程控制指令內(nèi)容表

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于液壓支架數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN通信動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度策略。根據(jù)實際工況，對發(fā)送的CAN通信信息進行優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整，保證了液壓支架控制的實時性和準確性。同時，維持液壓支架“急停閉鎖”動作優(yōu)先級最高，確保液壓支架安全、穩(wěn)定。