摘 要：本文首先分析了國際上幾種主要的液壓支架電液控制系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)方法，指出原有方法中存在的不足。采用了CAN總線實現(xiàn)綜采面支架控制器的互連。針對煤礦對現(xiàn)場總線本質(zhì)安全防爆的要求，采用了改進的統(tǒng)一供電法，設(shè)計了電源適配器和通訊適配器。取得了良好的應(yīng)用效果。 關(guān)鍵詞：液壓支架; CAN總線; 本安防爆 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(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)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(lián)成綜采面網(wǎng)絡(luò)。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(lián)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[1]?？梢钥闯觯琍M4與PM31都采用總線的方式進行通訊，但都不是標準的現(xiàn)場總線。通過對3種控制器的剖析發(fā)現(xiàn)，它們的技術(shù)思路形成較早，且產(chǎn)品一直延續(xù)著早期形成的思路。而現(xiàn)場總線的提出相對較晚。與現(xiàn)場總線方式相比，早期的技術(shù)思路存在著如下幾點缺陷：實現(xiàn)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(xié)議，數(shù)據(jù)的錯誤檢測和出錯重發(fā)完全靠用戶編制的軟件實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)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(diào)度程序和通信協(xié)議，這就增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度和開發(fā)周期。采用現(xiàn)場總線技術(shù)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(wǎng)絡(luò)，是一種標準的現(xiàn)場總線。由于其高可靠性、靈活性以及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視并被廣泛的應(yīng)用于航海、航空、醫(yī)療及工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域。CAN總線的特點可以概括如下： 　?。?） 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。 　?。?） CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，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(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。 　?。?） 通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。 　?。?） 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(shù)主要取決于總線驅(qū)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(jié)合CAN總線在分布式控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用以及液壓支架電液控制系統(tǒng)的特點，將CAN總線應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于CAN總線驅(qū)動器最多支持110個CAN節(jié)點，當綜采面的支架數(shù)超過該數(shù)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。 [align=center] 圖1 基于CAN總線的電液控制系統(tǒng) Figure 1 Electric & hydraulic control system based on CAN bus[/align] 　　3.1 普通CAN節(jié)點設(shè)計 　　CAN總線的兩層協(xié)議固化在它的相關(guān)芯片中，主要是總線控制器和總線驅(qū)動器?？偩€驅(qū)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(shè)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(shè)計，普通CAN節(jié)點設(shè)計的電路原理圖如圖2所示。 　　3.2 CAN總線中繼節(jié)點的設(shè)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(qū)動電路分別連接到CAN總線的兩個網(wǎng)段上，實現(xiàn)中繼的功能。 　　中繼節(jié)點接收3種數(shù)據(jù)幀：廣播數(shù)據(jù)幀，需要被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀以及針對中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)幀。對應(yīng)于要接收的3種數(shù)據(jù)幀，分別設(shè)置3個接收濾波器。而普通節(jié)點只需設(shè)置2個濾波器即可滿足要求。從轉(zhuǎn)發(fā)的方式來講，轉(zhuǎn)發(fā)有直接轉(zhuǎn)發(fā)和翻譯轉(zhuǎn)發(fā)兩種。直接轉(zhuǎn)發(fā)是最簡單的轉(zhuǎn)發(fā)方式。采用直接轉(zhuǎn)發(fā)方式要求兩個網(wǎng)段具有相同的數(shù)據(jù)幀格式，而數(shù)據(jù)幀格式不同時則需要采用翻譯轉(zhuǎn)發(fā)的方式[2, 3]。在液壓支架電液控制系統(tǒng)中，所有網(wǎng)段的數(shù)據(jù)幀格式都是相同的。因此，中繼節(jié)點采用直接轉(zhuǎn)發(fā)方式。 [align=center] 圖2 CAN總線節(jié)點電路原理圖 Figure 2 CAN bus node schematic[/align] 　　由于通信實時性的要求以及節(jié)省中繼節(jié)點內(nèi)部的緩存，在進行中繼節(jié)點的軟件設(shè)計時，要求做到存儲轉(zhuǎn)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(nèi)部的接收緩沖區(qū)。FIFO緩沖區(qū)共有兩個指針：接收數(shù)據(jù)指針和發(fā)送數(shù)據(jù)指針。當兩指針不相等時即證明緩沖區(qū)中存有有效數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)指針的調(diào)整是通過接收中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，而發(fā)送數(shù)據(jù)指針的調(diào)整則是通過發(fā)送中斷子程序?qū)崿F(xiàn)。CAN總線中繼節(jié)點的報文處理流程如圖3所示。 [align=center] 圖3 中繼節(jié)點報文處理流程圖 Figure 3 Message processing flow chart of relay node[/align] 　　3.3 CAN總線本安防爆設(shè)計 　　CAN總線是一種非防爆總線，將CAN總線應(yīng)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(jù)本安防爆技術(shù)，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[4]。統(tǒng)一供電法就是節(jié)點設(shè)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(shè)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(xiàn)，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(shè)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(shù)量少的缺點，設(shè)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(gòu)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(shù)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(shè)計原理圖如圖4所示。光藕選用Philips的速率為1Mbps的6N136。 [align=center] 圖4 電源適配器原理圖 Figure 4 Power adapter schematic[/align] 　　通訊適配器與電源適配器的結(jié)構(gòu)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(jié) 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(xiàn)支架控制器間的通訊。克服了CAN總線無本質(zhì)安全防爆的缺陷。設(shè)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(xiàn)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。 參考文獻 　　[1] 張良. 液壓支架電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 煤炭科學技術(shù), 2003, 31（2）: 5～8 　　[2] H. Ekiz, A. Kutlu, M. D. Baba, E. T. Powner. Performance Analysis of a CAN/CAN Bridge[C]. Proceedings of IEEE 1996 Conference, 1996: 181～188 　　[3] 王凌, 胡海江, 張鳳登. 分布式環(huán)境下CAN網(wǎng)橋的實現(xiàn)和性能分析[J]. 微機算機信息, 2005, 21（2）: 44～45 　　[4] 孫繼平. 現(xiàn)場總線及其在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 煤礦自動化, 1997, （2）: 4～8