原创 CAN总线在液压支架电液控制系统的应用

1           液压支架电液控制系统的通讯方式分析

液压支架电液控制系统是实现综采工作面高产高效的关键技术设备。当前国际上主流的液压支架电液控制系统有：DBT公司的PM4、MARCO公司的PM31和JOY公司的RS20型3种。在通讯方面，PM4架间通过BIDI Bus互联成综采面网络。这种方式的缺点在于，一旦控制器不能正常工作，将导致控制系统通讯的中断。PM31架间的通讯通过BIDI Bus，全工作面的互联则采用T Bus。RS20控制器间通过一条19芯强电缆连接，其中的8根线用于通讯和紧急闭锁^[1]。可以看出，PM4与PM31都采用总线的方式进行通讯，但都不是标准的现场总线。通过对3种控制器的剖析发现，它们的技术思路形成较早，且产品一直延续着早期形成的思路。而现场总线的提出相对较晚。与现场总线方式相比，早期的技术思路存在着如下几点缺陷：实现复杂，需要消耗较多的系统资源；没有提供可靠高效的通讯协议，数据的错误检测和出错重发完全靠用户编制的软件实现，网络的错误处理能力不强。为了保证通讯的准确性和系统运行的可靠性，就必须编制完善的调度程序和通信协议，这就增加了系统开发的难度和开发周期。采用现场总线技术则可较好的解决上述问题。

2           CAN总线的特点

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，是一种标准的现场总线。由于其高可靠性、灵活性以及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视并被广泛的应用于航海、航空、医疗及工业现场领域。CAN总线的特点可以概括如下：

(1)      通信方式灵活。CAN既可以采用多主方式，也可以采用单主多从的方式。

(2)      CAN总线采用非破坏性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

(3)      通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

(4)      CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率5kb/s以下）；通信速率最高可达1Mb/s（通信距离最长为40m）。

(5)      CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。

液压支架电液控制系统是一种分布式控制系统。而CAN总线自身的特点使CAN总线能够有效的支持分布式控制。结合CAN总线在分布式控制系统中的成功应用以及液压支架电液控制系统的特点，将CAN总线应用于液压支架电液控制系统具有较大优势。

3           CAN总线节点的设计

基于CAN总线的液压支架电液控制系统中，每个支架控制器都是一个CAN节点，采用总线式拓扑结构，如图1所示。由于CAN总线驱动器最多支持110个CAN节点，当综采面的支架数超过该数目时，还需配备CAN总线中继节点。因此，电液控制系统的CAN总线上包括两类节点，普通节点与中继节点。

图1 基于CAN总线的电液控制系统

Figure 1 Electric & hydraulic CONTROL system based on CAN bus

3.1          普通CAN节点设计

       CAN总线的两层协议固化在它的相关芯片中，主要是总线控制器和总线驱动器。总线驱动器选用Philips的PCA82C250。总线控制器则采用Motorola单片机中自带的MSCAN模块。该模块是Motorola为16位MCU设计的通用CAN通信模块。采用自带CAN模块的Motorola单片机在最大程度上简化了节点电路的设计，普通CAN节点设计的电路原理图如图2所示。

3.2          CAN总线中继节点的设计

普通CAN节点只需使用1个MSCAN模块，而CAN总线中继节点则要用到单片机中的2个MSCAN模块，通过外加驱动电路分别连接到CAN总线的两个网段上，实现中继的功能。

中继节点接收3种数据帧：广播数据帧，需要被转发的数据帧以及针对中继节点的数据帧。对应于要接收的3种数据帧，分别设置3个接收滤波器。而普通节点只需设置2个滤波器即可满足要求。从转发的方式来讲，转发有直接转发和翻译转发两种。直接转发是最简单的转发方式。采用直接转发方式要求两个网段具有相同的数据帧格式，而数据帧格式不同时则需要采用翻译转发的方式^{[2, 3]}。在液压支架电液控制系统中，所有网段的数据帧格式都是相同的。因此，中继节点采用直接转发方式。

2 CAN总线节点电路原理图

Figure 2 CAN bus node schematic

由于通信实时性的要求以及节省中继节点内部的缓存，在进行中继节点的软件设计时，要求做到存储转发时间尽量短。为了达到这一要求，CPU采用中断方式接收两个MSCAN控制器的报文，同时采用了FIFO机制管理内部的接收缓冲区。FIFO缓冲区共有两个指针：接收数据指针和发送数据指针。当两指针不相等时即证明缓冲区中存有有效数据。缓冲区接收数据指针的调整是通过接收中断子程序实现的，而发送数据指针的调整则是通过发送中断子程序实现。CAN总线中继节点的报文处理流程如图3所示。

3 中继节点报文处理流程

Figure 3 Message processing flow chart of relay node

3.3          CAN总线本安防爆设计

CAN总线是一种非防爆总线，将CAN总线应用液压支架电液控制系统首先要解决CAN总线的防爆问题。根据本安防爆技术，解决CAN总线电气防爆基本有两种方法，一种是统一供电法，另一种是隔离供电法^[4]。统一供电法就是节点设备的工作电流和传输电流均由总线供给。隔离供电法是将节点设备的工作电源与传输电源分隔开，总线仅提供传输电源，而节点工作电源可就地供给。

比较隔离供电法与统一供电法发现，隔离供电法不但要为总线传输电路专门配备一台电源，还要为支架控制器另外铺设供电线缆，给安装、维修带来不便，增加系统成本。统一供电法对系统比较适合。针对统一供电法中总线上所接节点数量少的缺点，设计了电源适配器与通讯适配器。电源适配器与通讯适配器之间的支架控制器构成一组支架控制器，由总线统一供电。组中支架控制器的数量由电源的负载能力，控制器的功耗以及本安防爆的要求来确定。

       电源适配器与通讯适配器的作用是将组与组的电源完全隔离，同时保证通讯的畅通。电源适配器的设计原理图如图4所示。光藕选用Philips的速率为1Mbps的6N136。

4 电源适配器原理图

Figure 4 Power adapter schematic

       通讯适配器与电源适配器的结构相似，同样包含两片6N136。与电源适配器不同的是，通讯适配器由总线供电，而电源适配器由电源直接供电。

本文分析了目前液压支架电液控制系统所采用的通讯方式，采用了CAN总线实现支架控制器间的通讯。克服了CAN总线无本质安全防爆的缺陷。设计了CAN总线中继节点，克服了CAN总线上最多只能支持110个节点的限制。从实验效果看，新方法具有实现简单，误码率低，通讯速率高的特点，更好的保证了系统的安全。