李養(yǎng)明

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司，山西 呂梁 033000）

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下進(jìn)行掘進(jìn)工作的重要設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)破煤、裝載、轉(zhuǎn)載、運(yùn)輸、行走等巷道掘進(jìn)作業(yè)。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的工作性能，可將其分為部分?jǐn)嗝婧腿珨嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)也被稱為礦用掘進(jìn)機(jī)，在小型煤礦巷道開采中應(yīng)用更為廣泛。礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，采用CANOpen總線的設(shè)計(jì)能夠使整個(gè)電控系統(tǒng)更加模塊化，并且也更可靠穩(wěn)定。

本文對礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的CANOpen通訊部分開展了研究，對CANOpen總線在本次設(shè)計(jì)中的架構(gòu)、硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該研究對于礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CANOpen通訊具有重要的指導(dǎo)意義。

1 CANOpen總線通訊特點(diǎn)分析

CANOpen是在CAN總線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上被廣泛使用的應(yīng)用層協(xié)議，占據(jù)主導(dǎo)地位，目前，在CANOpen協(xié)議當(dāng)中，每一個(gè)設(shè)備都進(jìn)行了設(shè)備描述，定義了對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)備的功能，因此，使用CANOpen協(xié)議就可以很方便對不同廠家的不同功能的設(shè)備完成配置。

CANOpen采用的是SDO和PDO兩種報(bào)文方式進(jìn)行傳輸。其中SDO傳輸?shù)臄?shù)據(jù)優(yōu)先級別較低，主要功能是對每個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)配置和管理；而PDO報(bào)文方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)優(yōu)先級較高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)使用頻次較高。PDO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要發(fā)送方和接收方預(yù)先定義好區(qū)域，用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，無需采用普通的問答管理方式，這樣使得通訊效率大大提高，總線的利用率也大大增加。

在CANOpen總線通訊中，對象字典用來通訊，是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的核心，各個(gè)設(shè)備都含有特定的對象字典，表征了在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的各個(gè)參數(shù)。每一個(gè)對象都需要通過16位的索引值和一個(gè)8位的子索引完成尋址和訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的需要找尋的元素。

2 CANOpen總線通訊硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的CANOpen通訊系統(tǒng)的硬件主要包括電控箱和操作箱兩部分，中間有雙絞屏蔽線，如圖2所示。電控箱內(nèi)包含有電源模塊、分布式I/O、IC控制器、光耦隔離中繼模塊等，操作箱內(nèi)包括遠(yuǎn)程DI、顯示屏和光耦隔離中繼模塊等，其中光耦隔離中繼模塊的作用是保護(hù)所有設(shè)備的通訊口。

圖1 礦用掘進(jìn)機(jī)CANOpen通訊架構(gòu)圖

2.1 光耦隔離中繼模塊

電纜通訊設(shè)備的使用環(huán)境惡劣，其通訊口常常會損壞，設(shè)備停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)，因此通訊口必須要進(jìn)行保護(hù)。安裝光耦隔離中繼模塊的作用有以下兩方面：

1）由于通訊電纜會經(jīng)過隔爆箱體，而在其內(nèi)部安裝有大量高電壓等級的動(dòng)力線，以及變頻器和變壓器等具有強(qiáng)信號干擾的電磁設(shè)備，并且受箱體內(nèi)空間的限制，通訊電纜與這些設(shè)備往往不能保持合適的距離，因此通訊電纜常常會受到干擾。

2）由于煤礦井下安裝有數(shù)量極多的變頻設(shè)備，會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因此，需對其電網(wǎng)的質(zhì)量進(jìn)行保證。

2.2 分布式I/O模塊

選用Wago分布式的現(xiàn)場總線I/O系統(tǒng)，其現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)包括現(xiàn)場總線適配器、現(xiàn)場總線模塊和終端模塊?，F(xiàn)場總線適配器和現(xiàn)場總線模塊之間通過物理接口完成通訊，現(xiàn)場總線適配器需要供電終端能夠供給電壓均為24V的系統(tǒng)供電和現(xiàn)場側(cè)供電。

現(xiàn)場總線適配器還能與I/O功能模塊包括各種數(shù)字量和模擬量模塊，具有某些特定功能的總線模塊之間進(jìn)行連接，并且通過內(nèi)部總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的交換。

Wago分布式I/O模塊具有以下特點(diǎn)：①模塊化設(shè)計(jì)，適應(yīng)性強(qiáng)；②通過卡扣彈簧實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，可靠性強(qiáng)；③專用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行內(nèi)部通訊，電位自行分布。

2.3 顯示屏

選用車載專用的顯示屏，A8結(jié)構(gòu)的CPU，256MB的存儲，10.4寸大屏幕，處理速度快，運(yùn)行流暢；包括兩路能夠支持CANOpen的CAN接口，可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)視頻信號的輸入以及多個(gè)監(jiān)控畫面的監(jiān)視；工作溫度范圍較寬，從零下20℃到零上70℃，并且機(jī)身采用金屬結(jié)構(gòu)，具有良好的散熱性能；抗信號干擾能力強(qiáng)，電源和串口采用的是雙隔離的電路方式，可靠性高，適應(yīng)能力強(qiáng)。

3 CANOpen總線通訊軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)采用Inter Control控制器，因此其CANOpen通訊包含有自由編程和固定編程兩種方式。自由編程與固定編程方式相比，具有擴(kuò)展性好，可以添加的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和主節(jié)點(diǎn)能同時(shí)發(fā)送和接收的PDO數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)都要多得多，并且沒有局限性，因此本次設(shè)計(jì)采用自由編程的方式。

CANOpen控制器的程序主要包括八個(gè)步驟，即添加節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測，等待節(jié)點(diǎn)都能收到主節(jié)點(diǎn)配置，等待與操作、初始化SDO參數(shù)，發(fā)送SDO參數(shù)，等待節(jié)點(diǎn)都能收到主節(jié)點(diǎn)配置，檢測節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，運(yùn)行，如圖2所示。每一個(gè)CANOpen模塊中都有PDO通訊參數(shù)，而控制器需要對這些PDO通訊參數(shù)進(jìn)行配制，配置流程如圖3所示。

圖2 控制器CANOpen程序流程圖

圖3 CANOpen模塊的PDO通訊參數(shù)配制流程圖

3.1 SDO配置

在主控程序中，需要發(fā)送SDO命令，在這個(gè)環(huán)節(jié)中需要對每一個(gè)模塊進(jìn)行配置。首先是TxPDO和RxPDO，TxPDO是發(fā)送到總線端的顯示屏上顯示和實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)量為16個(gè)；RxPDO是用來接收遠(yuǎn)程DI模塊和分布式I/O模塊兩個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，并且數(shù)量分別為1個(gè)和8個(gè)。對TxPDO和RxPDO進(jìn)行配置的方式也不一樣，針對控制器內(nèi)數(shù)據(jù)字典分別為1800H-180FH以及1400H-1408H和1600H-1608H，同時(shí)還需要配置或者初始化COB-ID和數(shù)據(jù)類型等參數(shù)。

另外就是遠(yuǎn)程DI的配置，主要包含6005中斷和TxPDO的循環(huán)發(fā)送時(shí)間兩個(gè)量的配置，該模塊能夠檢測到24路開關(guān)的數(shù)據(jù)量，同時(shí)只需要向總線端發(fā)送出僅僅一個(gè)TxPDO即可。

3.2 分布式I/O配置

分布式I/O模塊的配置較為靈活，根據(jù)使用的模塊配置也不盡相同。本次設(shè)計(jì)采用了5個(gè)4通道的0-10V的和1個(gè)RTD共6個(gè)模擬量輸入模塊。下面對各個(gè)模塊的配置進(jìn)行詳細(xì)說明：

1）分布式I/O間隔模塊。數(shù)據(jù)字典為4500H，索引號均為16#4500，子索引代表的是插入的模塊數(shù)量，這里配置的子索引號為01到06，寫入值均為16#000080A2，數(shù)據(jù)長度均為2字節(jié)，代表每通道的模擬量輸入模塊。

2）TxPDO的配置。數(shù)量為8個(gè)，數(shù)據(jù)字典為1800H到1807H，在配置模塊的抑制時(shí)間的時(shí)候，需要去除掉4個(gè)COB-ID，將01號子索引數(shù)據(jù)的第31位的數(shù)字重置為0。

3）抑制時(shí)間配置修改。各個(gè)PDO都有一個(gè)抑制時(shí)間，如果同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，就會造成總線數(shù)據(jù)量的擁堵，所以必須對數(shù)據(jù)字典中相對應(yīng)的抑制時(shí)間的位置進(jìn)行修改，錯(cuò)開各個(gè)抑制時(shí)間，避免同時(shí)發(fā)送。然后更新COB-ID配置，修改數(shù)據(jù)字典中對應(yīng)的位置，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送了。

通過以上對CANOpen模塊中各節(jié)點(diǎn)的配置，就能夠和總線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，完成總線通訊以及參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié) 論

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)中CANOpen通訊部分的性能特點(diǎn)，對其進(jìn)行總體設(shè)計(jì)研究，分析了CANOpen通訊的特點(diǎn)，詳細(xì)分析了CANOpen總線協(xié)議的核心數(shù)據(jù)字典，硬件部分設(shè)計(jì)了礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的CANOpen通訊的總體架構(gòu)圖，介紹了光耦隔離中繼模塊、分布式I/O模塊和顯示屏的選型和特點(diǎn)，軟件部分設(shè)計(jì)了CANOpen通訊編程的總體步驟及模塊參數(shù)配置的流程，對SDO和分布式I/O模塊中的數(shù)據(jù)字典的參數(shù)配置進(jìn)行了詳細(xì)說明。該研究對于礦用掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CANOpen通訊具有重要的指導(dǎo)意義。