田克君

(1. 中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在井下綜采工作面順槽中一般布置有乳化液泵、開關(guān)組、負(fù)荷中心等機(jī)械設(shè)備，為綜采工作面提供各種動(dòng)力源[1]。隨著采煤機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的向前推移，這些設(shè)備也需要不斷地向前移動(dòng)。目前我國設(shè)備列車仍然以前移的方法來實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)邁步前移、行走等功能[2]。超長距離自移設(shè)備列車及配套裝備(下稱自移設(shè)備列車)集成列車自移、行走調(diào)偏、管纜隨動(dòng)、防掉道等功能，實(shí)現(xiàn)錨固牽引裝置帶動(dòng)整個(gè)設(shè)備列車及配套裝備的邁步式前移，綜采工作面順槽作業(yè)成套化、系統(tǒng)化和自動(dòng)化[3]。為滿足自移設(shè)備列車各組成部分的邁步、前移、承載等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、無人化管理，對(duì)電氣控制系統(tǒng)提出了新要求。

近十年來，在煤礦井下CAN現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)不斷地應(yīng)用并組建現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其通信速率高、可靠性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車輛控制、樓宇自動(dòng)化、數(shù)控技術(shù)等各種控制領(lǐng)域中[4]。作為一種多主方式、高速率、高可靠性的串行通信總線，CAN總線非常適用于自移設(shè)備列車這種分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

根據(jù)礦用設(shè)備列車控制系統(tǒng)的控制單元多、距離長、實(shí)時(shí)性要求高、同步(交叉)邁步特性，利用CAN總線實(shí)時(shí)性強(qiáng)、多主控制、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，結(jié)合自移設(shè)備列車的牽引行走、邁步自移、升降等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了礦用設(shè)備列車控制系統(tǒng)并得以應(yīng)用。

1 系統(tǒng)方案

自移設(shè)備列車布置于運(yùn)輸順槽巷道，由錨固牽引裝置、邁步自移裝置、管纜伸縮承載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。

自移設(shè)備列車前部配置錨固牽引裝置，后面有多輛平板車(超過40輛)，總長度超過220 m，具體組成如圖1所示。平板車控制要求可以同時(shí)提升或分組提升。設(shè)備列車位于軌道之上，與軌道互為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)邁步前移。

圖1 自移設(shè)備列車組成

系統(tǒng)中牽引車和每個(gè)平板車控制單元作為一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)接入CAN網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)控制單元組成一個(gè)CAN現(xiàn)場總線實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 自移設(shè)備列車控制系統(tǒng)

牽引車配有控制器、液壓動(dòng)力站、顯示單元等。液壓動(dòng)力站為整個(gè)系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，是液壓元件的動(dòng)力源。顯示單元集中顯示控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息。牽引車控制單元除了完成泵站啟停、系統(tǒng)壓力監(jiān)測之外，還需要對(duì)各平板車單元進(jìn)行油缸升降的集中控制；同時(shí)，可以通過CAN網(wǎng)絡(luò)讀取系統(tǒng)中其他單元(包括平板車單元)的各個(gè)參數(shù)，并將控制內(nèi)容發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)。

各個(gè)平板車控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測本單元的提升油缸和推移油缸的位移參數(shù)，以及本單元的管路壓力和液壓油溫度，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，還可以接受CAN網(wǎng)絡(luò)中其他單元(包括牽引車單元)的狀態(tài)信息和控制內(nèi)容。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制單元不分主從，都可以通過本單元對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各平板車的集中管理，完成設(shè)備列車的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)平板車組的自動(dòng)邁步前移、升降。

各個(gè)單元除了可以完成集中控制外，還可以完成本地控制，便于進(jìn)行本地單元的手動(dòng)操作。

2 控制器設(shè)計(jì)

設(shè)備列車控制器包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。采用嵌入式系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想[5]，分別對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于硬軟件工作的開展與銜接?？刂破飨到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)包括嵌入式微控制器、CAN功能部件及油缸位移采樣、推移和升降驅(qū)動(dòng)電路。其中，嵌入式微控制器為系統(tǒng)的控制核心和運(yùn)算核心；功能部件包括CAN功能部件和其他功能部件，這些功能部件通過外圍電路與外界交互；油缸位移采樣電路完成對(duì)油缸活塞桿伸出長度的檢測并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；油缸推移、升降電路完成對(duì)推移油缸、升降油缸的驅(qū)動(dòng)控制，通過驅(qū)動(dòng)油缸的推移和升降，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車的整體邁步平移和各平板車的升降。

軟件系統(tǒng)包括底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、CAN驅(qū)動(dòng)庫和其他驅(qū)動(dòng)庫(如模數(shù)轉(zhuǎn)換、中斷等)[6]。應(yīng)用層軟件包括油缸位移采樣子程序和油缸推移、升降子程序。由于在油缸中加入了位移控制器，在油缸推移和升降過程中，需要對(duì)油缸位移進(jìn)行反饋比較，從而實(shí)現(xiàn)油缸推移和升降的閉環(huán)控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自移設(shè)備列車的整體前移、升降同步控制。

設(shè)備列車平板車控制器采用嵌入式微控制器作為核心控制器，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。該控制器的優(yōu)點(diǎn)是芯片內(nèi)部集成了很多功能，如ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口、脈寬調(diào)制輸出口等[7]。

圖4 控制器硬件結(jié)構(gòu)

油缸位移等模擬量輸入信號(hào)(如1～5 V電壓、4～20 mA電流等)通過A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理后接入中央控制器，模擬量輸出通過D/A轉(zhuǎn)換后接電磁閥以控制油缸的升降速度。陣列鍵盤用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，其通過鍵盤芯片后經(jīng)片內(nèi)串行總線SPI直接和微控制器完成數(shù)據(jù)交換?？刂瓢存I用于控制設(shè)備列車的推移、升降，其直接接入微控制器的GPIO。開關(guān)量輸出通過將GPIO的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，將開關(guān)量輸出信號(hào)給電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。另外，硬件中還有LCD顯示屏驅(qū)動(dòng)和顯示內(nèi)容控制、以太網(wǎng)接口等。

CAN硬件電路有2種方案：一種是使用帶片內(nèi)CAN控制器的微控制器，這種方法電路圖緊湊，便于制作電路板，同時(shí)減少硬件故障；另外一種是使用獨(dú)立的CAN控制器，例如SJA1000、MCP2510等。從減少成本和降低故障率的角度考慮，本方案中使用帶CAN控制器的ARM芯片，選用PCA82C250收發(fā)器實(shí)現(xiàn)控制器和物理傳輸線路之間的連接轉(zhuǎn)換。另外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路CAN通信網(wǎng)絡(luò)。一路為礦用設(shè)備列車控制系統(tǒng)牽引車和各平板車之間通信；另一路接入井下工業(yè)自動(dòng)化CAN網(wǎng)絡(luò)，為井下自動(dòng)化系統(tǒng)提高網(wǎng)絡(luò)接口，便于信息的共享與連通。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是本地CAN網(wǎng)絡(luò)和井下系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)分別建立，防止不同CAN網(wǎng)絡(luò)之間的干擾信息傳入，減少CAN網(wǎng)絡(luò)故障，降低數(shù)據(jù)傳輸丟包率。同時(shí)，若某一路CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過簡單的設(shè)置實(shí)現(xiàn)兩路CAN網(wǎng)絡(luò)的切換，便于快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。

3 CAN通信協(xié)議

CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種。標(biāo)準(zhǔn)格式有11位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展格式有29為標(biāo)識(shí)符。由于設(shè)備列車CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多(小于100)，便于網(wǎng)絡(luò)識(shí)別和數(shù)據(jù)傳送，所以采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。牽引車和各平板車分別對(duì)應(yīng)不同的ID號(hào)，ID號(hào)編碼規(guī)則見表1。在牽引車單元中

表1 標(biāo)識(shí)符號(hào)分配

的系統(tǒng)控制設(shè)置功能對(duì)應(yīng)報(bào)文由牽引車單元發(fā)送、各平板車單元接收，各單元報(bào)文格式見表2和表3。

在每個(gè)控制單元中有CAN控制和狀態(tài)子程序，便于將CAN通信網(wǎng)絡(luò)中不同標(biāo)識(shí)符的控制內(nèi)容和狀態(tài)內(nèi)容分別轉(zhuǎn)換成便于系統(tǒng)統(tǒng)一管理的變量，提高程序的可讀性和編程效率。

表2 牽引車單元報(bào)文

表3 平板車單元報(bào)文

需要特別注意的是，由于一個(gè)單元可以有多個(gè)標(biāo)識(shí)符，所以要根據(jù)不同單元、不同功能來分配標(biāo)識(shí)符，避免標(biāo)識(shí)符重復(fù)，造成CAN總線通信故障。

4 結(jié)語

以液壓為動(dòng)力，集成自帶軌道、高度集成列車自移、行走調(diào)偏、管纜隨動(dòng)、防掉道等功能的礦用自移設(shè)備列車要求控制系統(tǒng)具有分布式控制、實(shí)時(shí)性、本地/主控切換等功能。基于CAN總線的FCS控制系統(tǒng)可以連接多個(gè)控制單元、實(shí)時(shí)完成控制指令和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通過驗(yàn)證，自移設(shè)備列車取得了優(yōu)良的使用效果，首次使綜采工作面順槽運(yùn)輸作業(yè)成套化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化。

限于篇幅，本文未對(duì)控制系統(tǒng)中的其他功能(如自移、行走、自動(dòng)補(bǔ)液等)做介紹。