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《工礦自動化雜志》2016年第11期

摘要：

針對電傳動系統(tǒng)運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量實(shí)時數(shù)據(jù)的問題，對電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)采用分布式CAN總線實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸和鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集；以無線通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，利用TCP／IP異步傳輸原理，通過車載客戶端子系統(tǒng)和服務(wù)器子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

關(guān)鍵詞：

煤炭開采；電傳動；鏟運(yùn)機(jī)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；分布式CAN總線；TCP／IP異步通信

0引言

為了解決危險采場的出礦問題，降低采礦作業(yè)危險，遙控甚至無人采礦設(shè)備已經(jīng)成為國內(nèi)外同行研究的重點(diǎn)［1－2］。隨著電傳動技術(shù)的發(fā)展，更多的地下采礦設(shè)備采用電傳動系統(tǒng)。電傳動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量的實(shí)時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)時控制、設(shè)備優(yōu)化和維護(hù)等。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和異地存儲，成為采礦設(shè)備自動控制、遠(yuǎn)程控制研究必不可少的技術(shù)手段。本文以電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)了其遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

本文討論的電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)為四輪驅(qū)動，柴油發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能通過交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過整流器和逆變器輸入4個輪邊電動機(jī)，輪邊電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動能，為車輛提供動力。由于鏟運(yùn)機(jī)上采用的電子控制單元數(shù)量較多，電傳動系統(tǒng)運(yùn)行時必須實(shí)現(xiàn)各個電控單元間的大量實(shí)時數(shù)據(jù)交換。CAN總線具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)可靠性高、連接便捷、節(jié)點(diǎn)設(shè)置不受限制、錯誤檢測能力良好等優(yōu)點(diǎn)，在車輛控制系統(tǒng)上已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用［3］，因此采用CAN總線實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足日常生產(chǎn)的通信需求，地下礦山的巷道中通常鋪設(shè)有無線通信網(wǎng)絡(luò)，與調(diào)度中心的網(wǎng)絡(luò)相連。因此，電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以該無線通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，以TCP／IP協(xié)議作為通信協(xié)議，利用Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)作用的對象不同，電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分成了2個子系統(tǒng)：車載客戶端子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)。車載客戶端子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)送實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和接收操作臺指令，并將控制指令發(fā)送給主控制器；遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，解析處理數(shù)據(jù)和發(fā)送操作臺指令。由于系統(tǒng)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量較大，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時性，系統(tǒng)采用異步TCP通信方式［5－6］。

2分布式CAN總線網(wǎng)絡(luò)

由于電傳動控制系統(tǒng)復(fù)雜性較高，控制對象在結(jié)構(gòu)上相對分散，所以，按照功能將整個控制系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，形成分布式控制結(jié)構(gòu)［4］。分布式CAN總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。CAN總線網(wǎng)絡(luò)以電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)的主控制器為核心，分為4路CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，采用主從式通信模式。CAN1為柴油發(fā)動機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器直接與柴油發(fā)動機(jī)的電控單元（ElectronicControlUnit，ECU）進(jìn)行通信，遵循SAEJ1939協(xié)議；CAN2為車輛動力控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器對包括勵磁控制器、斬波制動控制器和輪邊牽引電動機(jī)逆變器進(jìn)行控制；CAN3為輔助控制網(wǎng)絡(luò)，主控制器對鏟運(yùn)機(jī)鏟裝機(jī)構(gòu)的液壓控制器、顯示屏、儀表等進(jìn)行控制；CAN4為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，主控制器將其他網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸至車載計(jì)算機(jī)。為了提高每個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性和可靠性，在各網(wǎng)絡(luò)的終端加入120Ω的終端電阻。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信波特率采用250kbit／s可以滿足通信需求。為了保證CAN總線通信暢通，總線占用率最好保持在33％～66％。根據(jù)位填充技術(shù)，數(shù)據(jù)幀m的最壞總線占用時間Cm為Cm｜ms＝34＋8dm5＋47＋8d（）mτbit＝0．5224（1）式中：dm為數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)，該通信協(xié)議下最大為8；τbit為位時間，在250kbit／s波特率下為0．004ms。由于CAN2運(yùn)行時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量最大，為了統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其他網(wǎng)絡(luò)的通信周期以CAN2為標(biāo)準(zhǔn)，則CAN2中全部數(shù)據(jù)幀的最壞總線占用時間之和約為10．5ms。因此，可選取的通信周期為15～30ms。根據(jù)主控制器工作周期，本文選取25ms為CAN總線通信周期。由于各個控制器的啟動時間不同，尤其是車載計(jì)算機(jī)的啟動時間晚于其他控制器，為了保證車載運(yùn)行數(shù)據(jù)的完備性，設(shè)計(jì)了啟動后的握手檢驗(yàn)系統(tǒng)。主控制器啟動后不斷向其他控制器發(fā)送握手信號，其他控制器收到握手信號后向總線發(fā)送握手反饋信號，主控制器收到全部握手反饋信號后，跳出握手檢驗(yàn)系統(tǒng)，開始執(zhí)行行車控制。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1車載客戶端子系統(tǒng)

車載客戶端子系統(tǒng)將CAN總線傳來的實(shí)時數(shù)據(jù)簡單處理后進(jìn)行本地存儲，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度中心數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互；同時解析操作臺的控制指令，通過CAN總線將控制指令發(fā)送到主控制器。車載客戶端子系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

3．2遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程服務(wù)器子系統(tǒng)主要由2個部分構(gòu)成，第1部分的作用是接收車載客戶端子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，將駕駛員所要了解的車輛信息（如車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、檔位狀態(tài)等）顯示出來，并將解析后的數(shù)據(jù)存入調(diào)度中心的數(shù)據(jù)庫；第2部分的作用是響應(yīng)操作臺控制器采集到的控制指令（手柄、踏板等）。

3．3數(shù)據(jù)通信校驗(yàn)

為防止網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，在客戶端與服務(wù)器的通信中加入校驗(yàn)信息。當(dāng)車載實(shí)時數(shù)據(jù)解析并封裝成數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備發(fā)送時，待發(fā)送數(shù)據(jù)包就是一個包含有用數(shù)據(jù)的數(shù)組。對數(shù)組中的值進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），得出CRC值，再將CRC值附到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行發(fā)送。服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后提取出CRC值，并對數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，再將得出的值與收到的CRC值進(jìn)行比對。若兩值相等，則說明數(shù)據(jù)可信，該包數(shù)據(jù)會被系統(tǒng)解析，并存儲及顯示；若兩值不相等，則說明數(shù)據(jù)傳輸有誤，直接舍棄該包數(shù)據(jù)并等待下一包數(shù)據(jù)?？蛻舳藬?shù)據(jù)校驗(yàn)原理類似。客戶端和服務(wù)器數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖5所示。客戶端和服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包分別以相應(yīng)的起始標(biāo)志符開始，隨后依次為數(shù)據(jù)發(fā)送時間、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)，最后以終止標(biāo)志符結(jié)束。各區(qū)域間用“；”分隔，數(shù)據(jù)區(qū)各數(shù)據(jù)之間用“，”分隔。

4結(jié)語

電傳動地下鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用分布式CAN總線結(jié)構(gòu)，利用TCP／IP異步傳輸原理實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能。分布式CAN總線結(jié)構(gòu)具有很高的可靠性，可以有效采集實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用TCP／IP異步傳輸原理進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信具有可行性。

參考文獻(xiàn)：

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作者:張?zhí)?羅維東 單位:北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院