宋單陽， 宋建成， 陶心雅， 楊金衡， 盧春貴

（1.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是實現(xiàn)煤礦智能化開采的重要設備之一，其工作的可靠性、高效性對于保障工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。電液控制器是液壓支架電液控制系統(tǒng)的基本組成單元，承擔著通信、感知、控制、決策等多項任務，其中通信功能是電液控制系統(tǒng)眾多功能實現(xiàn)的基礎[3-4]。液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)的可靠性直接影響電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通信系統(tǒng)故障易造成電液控制系統(tǒng)誤動、拒動，對工作面生產(chǎn)安全形成威脅[5]。因此，開發(fā)帶有故障診斷功能的電液控制器通信系統(tǒng)，保證電液控制系統(tǒng)信息可靠、準確傳遞，對于提高工作面智能化水平、降低工作面生產(chǎn)風險具有現(xiàn)實意義[6-7]。

現(xiàn)有液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)大部分采用串行總線通信，部分采用以太網(wǎng)通信[8-9]。文獻[4]設計了一種基于CAN總線的電液控制器通信系統(tǒng)，改善了控制器延遲和擁堵問題。文獻[10]介紹了一種采用以太網(wǎng)和CAN總線互為冗余的支架控制器，提高了電液控制系統(tǒng)的可靠性和實時性。文獻[11]提出了一種基于3條RS485總線的電液控制通信系統(tǒng)，解決了數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。上述研究初步解決了液壓支架電液控制器通信可靠性問題，但均不具有故障定位和故障診斷功能，不利于快速有效地查詢或排除故障。針對上述問題，本文根據(jù)綜采自動化工作面通信技術要求，基于ZDYZ?JK型支架電液控制器，開發(fā)了具有故障診斷和故障定位功能的液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)。

1 通信系統(tǒng)硬件設計

1.1 基本需求分析

液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)的特點是節(jié)點數(shù)量多、通信距離長、數(shù)據(jù)傳輸量大、可靠性要求高[12]，通常有 120～170 個節(jié)點，通信距離達到 500 m以上。井下工作面電磁環(huán)境復雜，大型設備啟停時產(chǎn)生電磁波干擾，同時在電網(wǎng)中造成電源諧波干擾；開關電源、變頻器、接觸器開閘合閘，同樣會造成諧波干擾；有時電網(wǎng)還會產(chǎn)生浪涌，直接損壞設備硬件。在上述條件下，要求液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)必須具有一定的抗干擾能力。因此，在通信系統(tǒng)物理層設計采用屏蔽雙絞線、差分電平信號方式進行信號傳輸。通信系統(tǒng)節(jié)點容量不少于200個[10]，設計通信距離為1 000 m。另外，還要求系統(tǒng)硬件具有防過電壓、過電流設計。通過這些手段抑制井下常規(guī)干擾，保證通信系統(tǒng)可靠運行。

1.2 硬件設計

液壓支架電液控制系統(tǒng)的電液控制器包括1臺主控制器和若干臺間架控制器，主控制器和間架控制器為主從關系。電液控制器通信系統(tǒng)的主要任務是將間架控制器采集到的傳感器信息上報給主控制器、將主控制器的集中控制命令傳輸至間架控制器、將任意間架控制器的鄰架操作命令傳輸至目標間架控制器等。由于通信系統(tǒng)節(jié)點多、信息量大、對象廣，如果采用串聯(lián)型網(wǎng)絡結構，在信息的逐級傳遞過程中會導致極大時延；如果采用總線型網(wǎng)絡結構，則會有比較嚴重的總線擁堵問題，且總線結構無法實現(xiàn)系統(tǒng)自動排序功能。所以，綜合兩方面因素考慮，本文設計了具有雙路通信的液壓支架電液控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡，其中一路采用總線結構同時連接主控制器和所有間架控制器，另一路則采用串聯(lián)結構，僅連接相鄰2臺間架控制器[13-14]。2路通信進行了分工，其中主控制器與間架控制器之間的通信采用總線方式，手動模式下的間架控制器間鄰架通信及控制則采用串聯(lián)方式，二者互不干擾[15]。對于總線通信，選用具有多主結構的CAN總線方式，利用CAN總線的仲裁、檢錯和隔離機制，有利于提高總線通信的可靠性，CAN總線通信速率設計為500 kbit/s。對于串聯(lián)通信，則采用RS485點對點方式，通信速率設計為9 600 bit/s。通信系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。圖1中，MCU為ZDYZ?JK型液壓支架電液控制器所采用的STM32單片機。該單片機集成有CAN總線控制器和UART通用串行接口。另外，設計采用TD501DCAN模塊作為CAN收發(fā)器、TD501D485H-E模塊作為RS485收發(fā)器。該系列模塊集成有電源隔離和信號隔離，具有較強的抗電源波動和電磁干擾的能力，還擁有±4 kV抗靜電防護能力，工作溫度為?40～+105 ℃，具有較高的可靠性。

圖1 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡結構Fig.1 Communication system network structure

為進一步提高通信系統(tǒng)可靠性，設計了CAN通信模塊和RS485通信模塊電路，如圖2、圖3所示。在2種通信電路中，都采取相同的抗干擾和抗過載設計方案：在通信模塊供電電路設計中利用瞬態(tài)抑制二極管和濾波電容抑制供電電源的瞬時脈沖和低頻、高頻諧波，從而提高電源純凈性。在通信電路差分信號線間，同樣使用瞬態(tài)抑制二極管對共模、差模信號進行防護。采用正溫度系數(shù)熱敏電阻用于抑制過電流，利用三端陶瓷氣體放電管抑制電網(wǎng)浪涌干擾。

圖2 CAN 通信電路原理Fig.2 Principle of CAN communication circuit

圖3 RS485 通信電路原理Fig.3 Principle of RS485 communication circuit

2 通信系統(tǒng)軟件設計

2.1 故障診斷軟件設計

本文選取通信系統(tǒng)在工作過程中主控制器與間架控制器間通信的3種主要命令作為設計重點[16]，對通信系統(tǒng)故障診斷功能軟件進行設計：① 主控制器修改間架控制器運行參數(shù)。② 間架控制器向主控制器上報傳感器參數(shù)。③ 主控制器對間架控制器進行動作遠程控制。

通信系統(tǒng)故障診斷軟件設計：主控制器在向間架控制器下發(fā)命令和傳輸數(shù)據(jù)后，間架控制器根據(jù)接收到的命令和執(zhí)行、應答結果對通信結果進行診斷，并將診斷結果上報至主控制器。主控制器通過應答結果和診斷結果判斷通信任務是否完成，若未完成，判斷可能出錯的原因是什么、出現(xiàn)錯誤的支架號，以實現(xiàn)故障診斷和定位，并及時針對錯誤發(fā)出報警。故障診斷流程如圖4所示。

圖4 故障診斷流程Fig.4 Flow of fault diagnosis

通信系統(tǒng)部署時，對間架控制器節(jié)點進行自動排序，使其獲得唯一編號。間架控制器在接收到來自主控制器的通信信號后，在執(zhí)行命令的過程中實時進行故障診斷并記錄故障情況。同時通過RS485鄰架通信周期性向相鄰支架上的間架控制器發(fā)送診斷信息，使存在總線通信故障的間架控制器的診斷結果能夠通過相鄰支架上的間架控制器反饋給主控制器，通過這種方式可在間架控制器發(fā)送報文功能故障或出錯時及時對錯誤進行上報。上報內(nèi)容包含控制器編號信息，以實現(xiàn)故障定位。

2.2 通信協(xié)議設計

為了實現(xiàn)基于命令下發(fā)?應答的故障診斷和狀態(tài)報告，設計了液壓支架電液控制器的通信協(xié)議，其中主控制器發(fā)送命令報文有效內(nèi)容見表1，間架控制器應答報文有效內(nèi)容見表2。

表1 主控制器發(fā)送命令報文有效內(nèi)容Table 1 Command sent message effective content of main controller

表2 間架控制器應答報文有效內(nèi)容Table 2 Response message effective content of support controller

選擇特定的單片機自診斷寄存器和協(xié)處理寄存器作為通信故障診斷寄存器。間架控制器執(zhí)行命令過程中，在相應執(zhí)行階段對自診斷寄存器或協(xié)處理寄存器進行置位，置位規(guī)則見表3。

表3 寄存器置位規(guī)則Table 3 Register setting rules

在控制命令下發(fā)過程中，主控制器將收到來自被控間架控制器及其相鄰支架上的間架控制器的應答信息，主控制器從中提取被控間架控制器的編號和命令功能碼，并將自診斷寄存器和協(xié)處理寄存器信息組合在一起，即可判斷本次命令是否被正確執(zhí)行。若主控制器發(fā)送至被控間架控制器的命令沒有收到任何應答，則判定該間架控制器不能正確接收通信命令；若只收到被控間架控制器相鄰支架上的間架控制器的應答，則判定被控間架控制器不能正確發(fā)送通信信息。若只收到被控間架控制器的應答，則判定被控間架控制器相鄰支架上的間架控制器不能正確發(fā)送信息或兩間架控制器間的RS485通信故障。綜合以上全部內(nèi)容，最終的故障判斷規(guī)則見表4。

表4 故障判斷規(guī)則Table 4 Fault judgment rules

2.3 總線帶寬消耗率和負載率分析

間架控制器主動上傳的通信報文稱為診斷應答報文。診斷應答報文會增加需要傳輸?shù)膱笪臄?shù)據(jù)量，消耗更多的通信總線帶寬，提高總線負載率。過高的總線負載率容易造成總線擁堵，降低通信實時性和可靠性。一般應將CAN總線負載率控制在30%以內(nèi)[17]，以保證通信可靠進行。為驗證增加故障診斷功能后，通信系統(tǒng)CAN總線負載率是否符合要求，需對所設計的故障診斷功能帶寬消耗率進行分析，繼而計算通信系統(tǒng)最高總線負載率。

增加的診斷應答報文對通信總帶寬的消耗率k為

式中：Nd為診斷應答報文發(fā)送的數(shù)據(jù)量；Ns為命令下發(fā)報文所發(fā)送的數(shù)據(jù)量；Td為診斷應答報文發(fā)送數(shù)據(jù)的單位時間周期；ti為第i次采樣中單位時間周期內(nèi)診斷應答報文的平均發(fā)送周期，i=1，2，…，n，n為采樣次數(shù)；Ts為命令下發(fā)報文發(fā)送數(shù)據(jù)的單位時間周期；tj為第j次采樣中單位時間周期內(nèi)命令下發(fā)報文平均發(fā)送周期,j=1，2，…，m，m為采樣次數(shù)。

2.2.1 線面混合數(shù)據(jù)預處理。若原始數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，應首先對混合矢量數(shù)據(jù)柵格化。原始河網(wǎng)數(shù)據(jù)覆蓋范圍較廣存在長寬比較大的區(qū)域，為了完全轉換所有水道需設定一個合適的分辨率。像元的大小決定了柵格中要素呈現(xiàn)的粗細程度。像元過大，可能會出現(xiàn)信息丟失或圖樣模糊的情況；像元越小，柵格所表達的數(shù)據(jù)就越平滑或越詳細。以同樣大小像元對面狀矢量數(shù)據(jù)和線狀矢量數(shù)據(jù)轉柵格，設定輸出范圍一致，分別得到面狀河流的柵格圖層和線狀河流柵格圖層。

綜合式（1）?式（3）可得

診斷應答報文和命令下發(fā)報文共同占據(jù)的總線負載率U為

式中：B為所設定的通信速率；TU為計算總線負載率的單位時間。

程序設定的診斷應答報文定時發(fā)送理論周期為2 000 ms，命令下發(fā)報文發(fā)送周期與采煤機運行速度和自動控制工藝有關。但是由于間架控制器對于系統(tǒng)中控制命令的響應優(yōu)先級更高及模數(shù)轉換器采樣等其他中斷事件的存在，實際發(fā)送周期會有所偏差。所以，通過軟件實際抓取報文發(fā)送數(shù)量并統(tǒng)計計算平均發(fā)送周期，代入式（4）、式（5）中繪制帶寬消耗率和總線負載率，如圖5所示。

圖5 帶寬消耗率Fig.5 Bandwidth consumption rate

從圖5可看出，由于通信系統(tǒng)的自動控制功能運行略滯后于診斷功能，所以，在采樣開始的前2 s，采樣軟件中僅記錄到少量的命令下發(fā)報文數(shù)，而記錄到了較多的診斷應答報文數(shù)，此時帶寬消耗率很高；但此時通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膱笪目倲?shù)很少，因此總線負載率很低，僅為2.3%；隨著采樣時間的增加，到20 s時，通信系統(tǒng)已進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，單位時間內(nèi)發(fā)送的診斷應答報文數(shù)與命令下發(fā)報文數(shù)不再變化，帶寬消耗率和總線負載率曲線趨于平直，24 s時診斷應答報文的帶寬消耗率為11%，總線負載率則為15%。

診斷應答報文數(shù)與命令下發(fā)報文數(shù)均與系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)成正比，因此，節(jié)點數(shù)變化時通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)的帶寬消耗率不會變化，而總線負載率則會增加。根據(jù)設計，200個節(jié)點時，通信系統(tǒng)最高負載下每秒發(fā)送的命令報文為1 000幀；系統(tǒng)選取的CAN總線通信速率為500 kbit/s，在該速率下總線最高負載率為26%。增加故障診斷功能設計后，帶寬消耗率增加11%，使得最大節(jié)點數(shù)下總線負載率上升到28.86%，但低于30%。結果表明，通信系統(tǒng)增加故障診斷功能后，滿足CAN總線負載率要求。

3 試驗及結果分析

采用1臺主控制器和120臺間架控制器組成試驗平臺，通過人工設置通信系統(tǒng)故障來檢驗所設計的通信系統(tǒng)故障診斷功能的有效性。設置的故障見表5。

表5 故障詳情Table 5 Fault details

圖6 通信系統(tǒng)故障診斷功能試驗平臺Fig.6 Test platform for fault diagnosis function of communication system

3.1 通信功能試驗

平臺布置有120臺間架控制器和1臺主控制器，組成綜采自動化工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)，間架控制器之間采用4.5 m電纜連接，間架控制器和主控制器間采用等效500 m模擬電纜連接。經(jīng)過試驗，系統(tǒng)能夠執(zhí)行自動排序操作，并實現(xiàn)主控制器向任意間架控制器進行點對點通信。試驗結果表明，系統(tǒng)在121個通信節(jié)點、最大通信距離約為1 040 m時工作良好，且節(jié)點數(shù)量可繼續(xù)增加，最高可達255個，滿足200個節(jié)點、1 000 m通信距離的設計要求。

3.2 故障診斷功能試驗

針對每種故障主控制器均下發(fā)一次參數(shù)修改命令，該命令會對所有間架控制器發(fā)送參數(shù)修改指令。通信完成后主控制器對表5中各編號故障的判定結果見表6?？煽闯鲋骺刂破鲗τ谝陨纤泄收暇艹晒z測，并且實現(xiàn)了故障控制器的定位。其中如③號、④號故障情況中的間架控制器出現(xiàn)軟件故障，可正確判定故障控制器編號和故障原因。而如②號、⑤號故障中的主控制器故障則被錯誤地診斷為間架控制器故障，這是本系統(tǒng)的一個判斷盲點。

表6 故障診斷試驗結果Table 6 Fault diagnosis test results

3.3 判斷盲點產(chǎn)生的原因及改進途徑

上述盲點的產(chǎn)生，是因為系統(tǒng)只能根據(jù)主控制器、間架控制器間一對一的診斷信息來判斷故障，對硬件故障缺少檢測能力。

具體的改進途徑：

（1） 主控制器應結合與多臺或全部間架控制器的通信結果判斷故障，如⑤號故障情況中主控制器檢測到所有節(jié)點均出現(xiàn)了接收故障，則應判定為主控制器自身故障。

（2） 在④號故障中，雖判斷出30號間架控制器不能正確應答，但命令的執(zhí)行情況不能得到有效反饋。在未來的改進中，應結合31號間架控制器協(xié)處理寄存器內(nèi)容和調取30號間架控制器自診斷寄存器內(nèi)容，實施進一步診斷。

（3） 在⑥號、⑦號故障中，基于CAN協(xié)議本身應答機制和錯誤偵測功能，斷開TXD或RXD引腳，都會判定設置故障的間架控制器離線?？煽闯鐾ㄐ畔到y(tǒng)的故障檢測功能對間架控制器的硬件故障具有定位能力，但是未能正確診斷出故障類型。有必要引入更多的信息，并增加硬件檢測環(huán)節(jié)，實現(xiàn)更精確的診斷。

4 結論

（1） 針對綜采工作面通信節(jié)點數(shù)量多、通信距離長、電磁環(huán)境復雜的問題，設計了一種雙路結構的液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)，采用CAN總線、RS485雙路通信和抗諧波、抗過電壓過電流設計，提高了通信系統(tǒng)的實時性和可靠性。試驗結果表明，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)1 040 m通信距離、121個節(jié)點穩(wěn)定可靠通信，提高了液壓支架電液控制系統(tǒng)通信質量，為工作面智能化控制奠定了基礎。

（2） 設計了液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)故障診斷和定位功能，可對由于工作面電磁干擾、電液控制器物理損壞、電液控制器軟件錯誤等原因造成的多種通信故障進行診斷和精確定位，簡化了電液控制器通信系統(tǒng)的故障檢測和排除工作流程，對于提高實際生產(chǎn)效率具有促進作用。