1 、液壓支架電液控制系統(tǒng)的通訊方式分析

液壓支架電液控制系統(tǒng)是實現綜采工作面高產高效的關鍵技術設備。當前國際上主流的液壓支架電液控制系統(tǒng)有：DBT公司的PM4、MARCO公司的PM31和JOY公司的RS20型3種。在通訊方面，PM4架間通過BIDI Bus互聯成綜采面網絡。這種方式的缺點在于，一旦控制器不能正常工作，將導致控制系統(tǒng)通訊的中斷。PM31架間的通訊通過BIDI Bus，全工作面的互聯則采用T Bus。RS20控制器間通過一條19芯強電纜連接，其中的8根線用于通訊和緊急閉鎖?？梢钥闯?，PM4與PM31都采用總線的方式進行通訊，但都不是標準的現場總線。通過對3種控制器的剖析發(fā)現，它們的技術思路形成較早，且產品一直延續(xù)著早期形成的思路。而現場總線的提出相對較晚。與現場總線方式相比，早期的技術思路存在著如下幾點缺陷：實現復雜，需要消耗較多的系統(tǒng)資源；沒有提供可靠高效的通訊協議，數據的錯誤檢測和出錯重發(fā)完全靠用戶編制的軟件實現，網絡的錯誤處理能力不強。為了保證通訊的準確性和系統(tǒng)運行的可靠性，就必須編制完善的調度程序和通信協議，這就增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度和開發(fā)周期。采用現場總線技術則可較好的解決上述問題。

2 、CAN總線的特點

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，是一種標準的現場總線。由于其高可靠性、靈活性以及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視并被廣泛的應用于航海、航空、醫(yī)療及工業(yè)現場領域。CAN總線的特點可以概括如下：

（1） 通信方式靈活。CAN既可以采用多主方式，也可以采用單主多從的方式。

（2） CAN總線采用非破壞性仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。

（3） 通過報文濾波即可實現點對點、點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的“調度”。

（4） CAN的直接通信距離最遠可達10km（傳輸速率5kb/s以下）；通信速率最高可達1Mb/s（通信距離最長為40m）。

（5） CAN上的節(jié)點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。

液壓支架電液控制系統(tǒng)是一種分布式控制系統(tǒng)。而CAN總線自身的特點使CAN總線能夠有效的支持分布式控制。結合CAN總線在分布式控制系統(tǒng)中的成功應用以及液壓支架電液控制系統(tǒng)的特點，將CAN總線應用于液壓支架電液控制系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。

3、 CAN總線節(jié)點的設計

基于CAN總線的液壓支架電液控制系統(tǒng)中，每個支架控制器都是一個CAN節(jié)點，采用總線式拓撲結構，如圖1所示。由于CAN總線驅動器最多支持110個CAN節(jié)點，當綜采面的支架數超過該數目時，還需配備CAN總線中繼節(jié)點。因此，電液控制系統(tǒng)的CAN總線上包括兩類節(jié)點，普通節(jié)點與中繼節(jié)點。

圖1 基于CAN總線的電液控制系統(tǒng)

3.1 普通CAN節(jié)點設計

CAN總線的兩層協議固化在它的相關芯片中，主要是總線控制器和總線驅動器?？偩€驅動器選用Philips的PCA82C250?？偩€控制器則采用Motorola單片機中自帶的MSCAN模塊。該模塊是Motorola為16位MCU設計的通用CAN通信模塊。采用自帶CAN模塊的Motorola單片機在最大程度上簡化了節(jié)點電路的設計，普通CAN節(jié)點設計的電路原理圖如圖2所示。

3.2 CAN總線中繼節(jié)點的設計

普通CAN節(jié)點只需使用1個MSCAN模塊，而CAN總線中繼節(jié)點則要用到單片機中的2個MSCAN模塊，通過外加驅動電路分別連接到CAN總線的兩個網段上，實現中繼的功能。

中繼節(jié)點接收3種數據幀：廣播數據幀，需要被轉發(fā)的數據幀以及針對中繼節(jié)點的數據幀。對應于要接收的3種數據幀，分別設置3個接收濾波器。而普通節(jié)點只需設置2個濾波器即可滿足要求。從轉發(fā)的方式來講，轉發(fā)有直接轉發(fā)和翻譯轉發(fā)兩種。直接轉發(fā)是最簡單的轉發(fā)方式。采用直接轉發(fā)方式要求兩個網段具有相同的數據幀格式，而數據幀格式不同時則需要采用翻譯轉發(fā)的方式。在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，所有網段的數據幀格式都是相同的。因此，中繼節(jié)點采用直接轉發(fā)方式。

圖2 CAN總線節(jié)點電路原理圖

由于通信實時性的要求以及節(jié)省中繼節(jié)點內部的緩存，在進行中繼節(jié)點的軟件設計時，要求做到存儲轉發(fā)時間盡量短。為了達到這一要求，CPU采用中斷方式接收兩個MSCAN控制器的報文，同時采用了FIFO機制管理內部的接收緩沖區(qū)。FIFO緩沖區(qū)共有兩個指針：接收數據指針和發(fā)送數據指針。當兩指針不相等時即證明緩沖區(qū)中存有有效數據。緩沖區(qū)接收數據指針的調整是通過接收中斷子程序實現的，而發(fā)送數據指針的調整則是通過發(fā)送中斷子程序實現。CAN總線中繼節(jié)點的報文處理流程如圖3所示。

圖3 中繼節(jié)點報文處理流程圖

3.3 CAN總線本安防爆設計

CAN總線是一種非防爆總線，將CAN總線應用液壓支架電液控制系統(tǒng)首先要解決CAN總線的防爆問題。根據本安防爆技術，解決CAN總線電氣防爆基本有兩種方法，一種是統(tǒng)一供電法，另一種是隔離供電法。統(tǒng)一供電法就是節(jié)點設備的工作電流和傳輸電流均由總線供給。隔離供電法是將節(jié)點設備的工作電源與傳輸電源分隔開，總線僅提供傳輸電源，而節(jié)點工作電源可就地供給。

比較隔離供電法與統(tǒng)一供電法發(fā)現，隔離供電法不但要為總線傳輸電路專門配備一臺電源，還要為支架控制器另外鋪設供電線纜，給安裝、維修帶來不便，增加系統(tǒng)成本。統(tǒng)一供電法對系統(tǒng)比較適合。針對統(tǒng)一供電法中總線上所接節(jié)點數量少的缺點，設計了電源適配器與通訊適配器。電源適配器與通訊適配器之間的支架控制器構成一組支架控制器，由總線統(tǒng)一供電。組中支架控制器的數量由電源的負載能力，控制器的功耗以及本安防爆的要求來確定。

電源適配器與通訊適配器的作用是將組與組的電源完全隔離，同時保證通訊的暢通。電源適配器的設計原理圖如圖4所示。光藕選用Philips的速率為1Mbps的6N136。

圖4 電源適配器原理圖

通訊適配器與電源適配器的結構相似，同樣包含兩片6N136。與電源適配器不同的是，通訊適配器由總線供電，而電源適配器由電源直接供電。

4 、結 語

本文分析了目前液壓支架電液控制系統(tǒng)所采用的通訊方式，采用了CAN總線實現支架控制器間的通訊?？朔薈AN總線無本質安全防爆的缺陷。設計了CAN總線中繼節(jié)點，克服了CAN總線上最多只能支持110個節(jié)點的限制。從實驗效果看，新方法具有實現簡單，誤碼率低，通訊速率高的特點，更好的保證了系統(tǒng)的安全。

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