一种液压支架电液控制系统通信网络设计.pdf

自 动化 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 5 一 种液压支架电液控制系统通信网络设计 余佳鑫，黄金福，王新军，马鹏宇 广州日滨科技发展有限公司，广东广州 5 1 0 6 6 0 摘要分析了总线形式的通信网络应用于液压支架电液控制系统时的缺陷，提出一种点对点的通信网络，并针对液压支架电液 控制系统的特点，详细介绍这一通信网络的设计过程。 关键词液压支架；电液控制系统；通信网络 中图分类号 T P 2 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 40 40 0 5 404 De s i g n o f Co mmu n i c a t i o n Ne t wo r k i n Hy d r a u l i c Po we r e d S u p p o r t El e c t r i c a n d Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m Y U J i a x i n ，H U A N G J i n - f u ，WAN G X i n - j a n ，MA P e n g - y u G u a n g z h o u R o p e n T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 6 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Co mmu n i c a t i o n n e t wo r k b a s e o n b u s l i n e ma y b e i n a pp l i c a b l e i n h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m．I n t h i s p a p e r ， a p o i n t - t o - p o i n t c o mmu n i c a t i o n ne t wo r k i s s t u d i e d a n d d e s i g n e d， wh i c h i s fit f o r mo s t f e a t u r e s o f h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o rt；e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m；c o mmu n i c a t i o n n e t w o r k 0引言 液压支架电液控制系统是实现煤炭综采工作 面高产高效的关键技术设备。系统一般由控制 器、电源、隔离器 、驱动器等设备组成，其中控 制器是整个系统的核心部件 ，多个控制器通过一 定 的连接方式进行组 网，从而实现对工作面液压 支架控制、监测及异常响应等功能n 。当前国内外 从事液压支架电液控制系统研发、制造的厂家和 机构众多 ，在系统通信网络的实现上也各具特 色 ，但这些通信网络大多数是通过 R S 4 8 5 、C A N 等总线通信实现，或者是在这些总线通信的基础 上进行改良 。尽管有很多现成的软硬件设计规范 来支持这种总线通信网络设计，但这种二次开发 应用的针对性不强 ， 难以根据液压支架电液控制 系统的特点，从深层次地去进行一些通信准确性 和系统可靠性的研究设计。本文从通信网络模型 的角度，抛开总线通信这一固有思维 ，介绍一种 应用于液压支架电液控制系统控制器上的，基于 收稿 日期 2 0 1 40 21 1 O S I 模型的 “ 点对点”通信网络设计。 1 通信网络概述 液压支架电液控制系统是一种由多个控制器 联网组成的分布式控制系统 ，控制器数量一般在 1 0 0 2 0 0台之 间 ，每 台控 制 器必 须 分 配有 唯 一 的、按顺序递增或递减的网络号。对于这样的系 统 ，常用 的现场总线通信都体现 出弊端 ，如 R S 4 8 5 总线，其总线节点最多为3 2 个，超过3 2 个 节点时往往需要使用中继器进行二次组网 ；又 如 C A N总线 ，要达到理论上 的 l l O 个 节点 ，首先 需要解决总线驱动电路上阻抗匹配这一难题，实 际应用时往往需要使用提升器等设备加强驱动和 二次组网 一 。而且，由于总线式的通信是 “ 一对 多”的方式 ，无法解决 自动按顺序分配网络号的 问题 ，通常需要使用类似拨码开关的方式进行手 动设置 ，这在工作环境恶劣的煤矿工作面上显然 行不通。 根据液压支架电液控制系统这一特点 ，本文 自动化 方式保证通信的可靠性。更重要的是 ，这种改进 是具体到每个基本单元的每一路收发信号上的， 驱动的效果不会因为收发线路的增加而减弱，即 不存在阻抗匹配的问题。在 3 0 米内的通信距离 内，通信速率可保证在 2 5 0 k b i t ／ s 以上 ，完全可满 足液压支架电液控制系统应用需求 。 2 ． 2数据链路层 数据链路层 的主要功 能是在物理层 的基础上 进行可靠的数据传输 ，即通过一定的差错检测 ， 保证相邻两个控制器间每一次通信的准确性。 控制器之间的通信是 以帧为基本单位的 ，帧 的起 始 、结束和校 验 的处 理在数 据链路层 中完 成。本设计中，数据帧采用定长结构 ，帧头由同 步域标识帧的起始 ，并将帧的结束域和校验进行 合并，如图4 所示。 通知至所有控制器 ，中转次数 Ⅳ标识为2 5 5 ，其他 控制器接收后同时提取数据并转发。 网络层采用的机制可避免复杂 的地址 匹配流 程，以最精简的形式实现可靠、高效的数据传输。 2 ． 4 传输层 传输层的主要功能是根据所传输的数据的重要 性进行分级，并以此实现对整个网络的流量控制。 在传输层中，将数据帧定义为命令帧、应答 帧和信息帧，建立相应的数据帧缓存空间，并对 缓存空 间 中的每个数 据帧都进 行 帧序列号 的标 识。命令帧指由系统手动控制 、自动控制等控制 相关的通信数据帧及异常情况 急停闭锁，设备 故障等触发的通信数据帧，通信网络必须保证 这些数据帧都能有效传递到 目标控制器。应答帧 指对命令帧应答数据帧，在命令帧的点对点传递 图4 网络协议帧结构 与传统数据链路层不同，在本通信网络协议 中，当控制器接收完一帧但确认校验出错时，直 接放弃本帧数据 ，且并不通知发送方重发 ，而是 由发送方在传输层中统一作超时处理。 2 ． 3网络层 网络层 的主要 功能是 实现 数据 帧的地址 属 性 ，并确定数据帧如何从发送方路 由到接收方 。 系统在每次上 电后 ，由服务器或顺槽主机发 起设置网络号的命令， 控制器接收到该命令后，一 方面从命令中获取本机网络号数据，另一方面将该 数据加1 后转发至下一台控制器。在设置网络号命 令在工作面所有控制器中传输完一遍后，每台控制 器具有唯一的、依次连续递增或递减的网络号。 在网络层进行数据的路由时，并不需要标识 具体的目标控制器地址 ，也不需要寻找并存储最 快的数据传输路径 ，而是在控制器发送数据之 前，提前计算好该数据传递至目标控制器的中转 次数 Ⅳ，并将 N J I ] 人数据帧中 ，接 收到该数据的 控制器首先进行Ⅳ _ 1 的操作，结果为零时说明本 机即是该数据的 目标控制器 ，非零时则根据数据 的方向进行转发。而当某些数据需要以广播的形 式传输 时，例如某 台控制器急停开关按下时需要 ￡ 数据链路层 校 验域 过程 中，无论 本机是否为 命令 的 目标 控制器 ，也无 论本 机是 否仍 需对命令帧 进行 转发 ，首先都要对发 出或转发该命令帧的控制 器进行应答 ，而发 出某个 命令帧的控制器，也只有在接收到与帧序列号相 对应 的应答帧后 ，才允许发送下一个命令 帧 ，否 则将一直重发当前的命令帧，当某个命令帧重复 发送一定次数时，判定为通信故障，并启用相应 处理机制。信息帧指数据量大但允许少量丢失 ， 而且能够定时更新的数据 ，例如控制器中用于顺 槽监测的状态数据， 信息帧无需等待应答。 根据以上机制，数据帧优先级的排序从高到 低依次为应答帧、命令帧、信息帧，而命令帧在 发出一定时间内未收到相应的应答帧时，将进行 重新发送 ，这一机制也将数据链路层 中帧校验失 败 的处理一并实现。 根据点对点通信的特点，距离顺槽监控主机 越近的控制器 ，其通信数据负荷量越大，传输层 对数据帧的处理类似T C P ／ U D P 协议 ，既保证重要 数据的可靠传输，又最大限度降低数据负荷量。 2 ． 5应用层 应用层 的主要功能是对具体 的数据报文进行 解析，由用户针对具体的通信功能进行 自定义 ， 在此不作详细列举。 2 ． 6 通信处理流程 网络协议 中数据链路层 、网络层 、传输层 的 余佳鑫 等一种液压支架电液控制系 统通信网络设计 阜 a 发送流程 图5 通信处理流程 通信处理流程体现在每一次数据收发的流程中， 这种流程及其逻辑处理可方便地在M C U中实现 ， 如图5 所示 。 3 结语 本文首先介绍了液压支架 电液控 制系统 中控 制器组 网的特点 ，根 据这 些特点 分析 了 R S 4 8 5 、 C A N等总线在应用于液压支架 电液控制系统时 的 缺陷 ，并提 出一 种 “ 点对点 ”的通信 网络设计 ， 详细介绍 网络架 构 、各协议子层 的原理和功能 ， 以及相应的通信处理流程 。 本文所介绍的通信 网络 ，优点在 于绕开 了总 线形式 的思维 ，将通信 网络 中功能的实现 、可靠 性 的保 障 、故障的诊 断细化到 由两个 控制器组成 的 ，基于 O S I 模 型的点对点最小单元之间 ，再 由 此延伸至整个液压支架电液控制系统控制器的组 网 ，最终解决 了阻抗 匹配和按顺 序分 配网络号两 个总线形式的网络难以解决 的问题 。 本文所设计的网络通信协议已经在液压支架 电液控制系统 中实现 ，同时系统已应用 于多个综 采工作面 b 接 收流程 参考文献 [ 1 ]王国法． 高端液压支架及先进制造技术 [ M]． 北京 煤炭工业 出版社 。2 0 1 0 ． [ 2 ]李首滨，韦文术，牛剑峰． 液压支架电液控制及工作 面 自动化技 术综述 [ J ]． 煤炭科学技术 ，2 0 0 7 ，3 5 1 1 1 - 5 ． [ 3 ]李磊 ，宋建成，田幕琴，等． 基于D S P和R S 4 8 5 总线 的液压支架电液控制通信 系统的设计 [ J ]． 煤炭学 报 ，2 0 1 0 ，3 5 4 7 0 1 7 0 4 ． [ 4 ]吕赕，陈辉，张晓娇 ，等． 液压支架电液控制 系统通 讯 网络 的设 计 [ J ]． 煤矿机械 ，2 0 0 9 ，3 0 1 0 1 4 6 -1 4 8 ． [ 5 ]孙晓健，张东来． C A N总线在液压支架电液控制系统 的应用 [ J ]． 微计算机信息嵌入式与S O C ，2 0 0 6 ， 2 2 6 2 9 7 9 8 ． [ 6 ]刘国平，邱吉元，李继武． 基于双C A N总线的液压支 架控制 系统的设计[ J ]． 工矿 自动化 ，2 0 0 9 6 6 5 - 6 8 ． 第一作者简介余佳鑫，男，广东饶平人 ，硕士，助理工 程师。研究领域煤矿液压支架电液控制系统、综采工作 面自动化系统。 编辑 阮毅