关于矿用掘进机CANOpen总线通讯系统设计_李养明.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 掘进机是煤矿井下进行掘进工作的重要设备， 能够实现破煤、 装载、 转载、 运输、 行走等巷道掘进作 业。 根据掘进机的工作性能， 可将其分为部分断面和 全断面掘进机。部分断面掘进机也被称为矿用掘进 机， 在小型煤矿巷道开采中应用更为广泛。 矿用掘进 机电控系统是控制系统的核心， 采用 CANOpen 总线 的设计能够使整个电控系统更加模块化，并且也更 可靠稳定。 本文对矿用掘进机电控系统设计中的 CANOpen 通讯部分开展了研究， 对 CANOpen 总线在本次设计 中的架构、 硬件、 软件实现方面进行了设计， 该研究对 于矿用掘进机电控系统实现 CANOpen 通讯具有重要 的指导意义。 1CANOpen 总线通讯特点分析 CANOpen 是在 CAN 总线设计的基础上被广泛 使用的应用层协议，占据主导地位，目前， 在 CANOpen 协议当中， 每一个设备都进行了设备描述， 定义了对应标准下设备的功能， 因此， 使用 CANOpen 协议就可以很方便对不同厂家的不同功能的设备完 成配置。 CANOpen 采用的是 SDO 和 PDO 两种报文方式 进行传输。 其中 SDO传输的数据优先级别较低， 主要 功能是对每个设备实现配置和管理；而 PDO 报文方 式传输的数据优先级较高，传输的数据使用频次较 高。PDO进行数据传输时， 需要发送方和接收方预先 定义好区域， 用来发送和接收数据， 无需采用普通的 问答管理方式， 这样使得通讯效率大大提高， 总线的 利用率也大大增加。 在 CANOpen 总线通讯中， 对象字典用来通讯， 是 节点设备的核心，各个设备都含有特定的对象字典， 表征了在网络当中的各个参数。 每一个对象都需要通 过 16 位的索引值和一个 8 位的子索引完成寻址和访 问数据结构中的需要找寻的元素。 2CANOpen 总线通讯硬件系统设计 矿用掘进机电控系统所设计的 CANOpen 通讯系 统的硬件主要包括电控箱和操作箱两部分， 中间有双 绞屏蔽线， 如图 2 所示。 电控箱内包含有电源模块、 分 布式 I/O、 IC 控制器、 光耦隔离中继模块等， 操作箱内 关于矿用掘进机 CANOpen 总线通讯系统设计 李 养 明 （霍州煤电集团吕梁山煤电公司 ， 山西 吕梁 033000 ） 摘要 矿用掘进机电控系统是控制系统的核心， 对矿用掘进机电控系统设计中的 CANOpen 通讯部 分开展了研究， 对 CANOpen 总线在本次设计中的架构、 硬件、 软件实现方面进行了设计， 对光耦隔离 中继模块、 分布式 I/O模块和显示屏的进行了选型和特点分析， 对 SDO 和分布式 I/O 模块中的数据字 典的参数配置进行了详细说明。该研究对于矿用掘进机电控系统实现 CANOpen 通讯具有重要的指 导意义。 关键词 矿用掘进机 ； 电控系统 ； CANOpen 总线通讯 中图分类号 TD623； TD273文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0133- 03 Design of CANOpen Bus Communication System for Mine Roadheader LI Yangming （Huozhou Coal and Electric Group Lvliangshan Coal Power Company , Shanxi Lvliang 033000） Absrtact The electric control system of mine roadheader is the core of the control system. The CAN Open communication part in the design ofelectric control systemofmine roadheader is studied. The architecture, hardware and software ofCANOpen bus in this design are designed. The optical isolation relay module, distributed I/O module and display screen are also designed. Selection and characteristic analysis are car- ried out, and parameter configuration ofdata dictionaryin SDO and distributed I/O modules is described in detail. This research has important guidingsignificance for realizingCANOpen communication in electric control systemofmine roadheader. Key words mine roadheader; electronic control system; CANOpen bus communication 133 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 包括远程 DI、 显示屏和光耦隔离中继模块等， 其中光 耦隔离中继模块的作用是保护所有设备的通讯口。 图 1矿用掘进机 CANOpen 通讯架构图 2.1光耦隔离中继模块 电缆通讯设备的使用环境恶劣， 其通讯口常常会 损坏， 设备停止运行， 严重影响了煤矿的正常生产， 因 此通讯口必须要进行保护。 安装光耦隔离中继模块的 作用有以下两方面 1 ） 由于通讯电缆会经过隔爆箱体， 而在其内部安 装有大量高电压等级的动力线， 以及变频器和变压器 等具有强信号干扰的电磁设备， 并且受箱体内空间的 限制，通讯电缆与这些设备往往不能保持合适的距 离， 因此通讯电缆常常会受到干扰。 2 ） 由于煤矿井下安装有数量极多的变频设备， 会影响电网的稳定性， 因此， 需对其电网的质量进 行保证。 2.2分布式 I/O 模块 选用 Wago分布式的现场总线 I/O 系统，其现场 总线节点包括现场总线适配器、 现场总线模块和终端 模块。 现场总线适配器和现场总线模块之间通过物理 接口完成通讯， 现场总线适配器需要供电终端能够供 给电压均为 24V的系统供电和现场侧供电。 现场总线适配器还能与 I/O 功能模块包括各种 数字量和模拟量模块， 具有某些特定功能的总线模块 之间进行连接， 并且通过内部总线进行数据和信息的 交换。 Wago 分布式 I/O 模块具有以下特点①模块化 设计， 适应性强； ②通过卡扣弹簧实现自动连接， 可靠 性强； ③专用数据总线进行内部通讯， 电位自行分布。 2.3显示屏 选用车载专用的显示屏， A8 结构的 CPU， 256MB 的存储， 10.4 寸大屏幕， 处理速度快， 运行流畅； 包括 两路能够支持 CANOpen 的 CAN接口， 可以同时进行 两个视频信号的输入以及多个监控画面的监视； 工作 温度范围较宽， 从零下 20℃到零上 70℃， 并且机身采 用金属结构， 具有良好的散热性能； 抗信号干扰能力 强， 电源和串口采用的是双隔离的电路方式， 可靠性 高， 适应能力强。 3CANOpen 总线通讯软件系统设计 矿用掘进机电控系统采用 Inter Control 控制器， 因此其 CANOpen 通讯包含有自由编程和固定编程两 种方式。自由编程与固定编程方式相比， 具有扩展性 好， 可以添加的网络节点个数和主节点能同时发送和 接收的 PDO 数据个数都要多得多， 并且没有局限性， 因此本次设计采用自由编程的方式。 CANOpen 控制器的程序主要包括八个步骤， 即 添加节点， 启动各个节点检测， 等待节点都能收到主 节点配置， 等待与操作、 初始化 SDO 参数， 发送 SDO 参数， 等待节点都能收到主节点配置， 检测节点状态， 运行，如图 2 所示。每一个 CANOpen 模块中都有 PDO通讯参数，而控制器需要对这些 PDO 通讯参数 进行配制， 配置流程如图 3 所示。 图 2控制器 CANOpen 程序流程图 图 3CANOpen 模块的 PDO 通讯参数配制流程图 134 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 3.1SDO 配置 在主控程序中， 需要发送 SDO 命令， 在这个环节 中需要对每一个模块进行配置。首先是 TxPDO 和 RxPDO， TxPDO 是发送到总线端的显示屏上显示和 实时传输的数据，数量为 16 个； RxPDO 是用来接收 远程 DI 模块和分布式 I/O 模块两个模块的数据， 并 且数量分别为 1 个和 8 个。 对 TxPDO和 RxPDO进行 配置的方式也不一样， 针对控制器内数据字典分别为 1800H- 180FH 以及 1400H- 1408H 和 1600H- 1608H， 同时还需要配置或者初始化 COB- ID 和数据类型等 参数。 另外就是远程 DI 的配置， 主要包含 6005 中断和 TxPDO 的循环发送时间两个量的配置，该模块能够 检测到 24 路开关的数据量，同时只需要向总线端发 送出仅仅一个 TxPDO即可。 3.2分布式 I/O 配置 分布式 I/O 模块的配置较为灵活， 根据使用的模 块配置也不尽相同。本次设计采用了 5 个 4 通道的 0- 10V 的和 1 个 RTD 共 6 个模拟量输入模块。下面 对各个模块的配置进行详细说明 1 ） 分布式 I/O 间隔模块。数据字典为 4500H， 索 引号均为 164500，子索引代表的是插入的模块数 量，这里配置的子索引号为 01 到 06，写入值均为 16000080A2， 数据长度均为 2 字节， 代表每通道的 模拟量输入模块。 2 ） TxPDO 的配置。数量为 8 个，数据字典为 1800H 到 1807H，在配置模块的抑制时间的时候， 需 要去除掉 4 个 COB- ID，将 01 号子索引数据的第 31 位的数字重置为 0。 3 ） 抑制时间配置修改。各个 PDO 都有一个抑制 时间， 如果同时向总线发送数据， 就会造成总线数据 量的拥堵， 所以必须对数据字典中相对应的抑制时间 的位置进行修改， 错开各个抑制时间， 避免同时发送。 然后更新 COB- ID 配置，修改数据字典中对应的位 置， 就可以进行数据发送了。 通过以上对 CANOpen 模块中各节点的配置， 就 能够和总线之间进行数据的发送和接收， 完成总线通 讯以及参数数据的传输。 4结论 结合掘进机 电控系统中 CANOpen 通讯部分的 性能特点，对其进行总体设计研 究 ， 分 析 了 CANOpen 通讯的特点，详细分析了 CANOpen 总线 协议的核心数据字典，硬件部分设计了矿用掘进机 电控系统的 CANOpen 通讯的总体架构图， 介绍了光 耦隔离中继模块、分布式 I/O 模块和显示屏的选型 和特点， 软件部分设计了 CANOpen 通讯编程的总体 步骤及模块参数配置的流程，对 SDO 和分布式 I/O 模块中的数据字典的参数配置进行了详细说明。该 研究对于矿用掘进机电控系统实现 CANOpen 通讯 具有重要的指导意义。 参考文献 [1] 王志军.基于 CAN 总线的掘进机实时监控系统研究[J].机 械工程与自动化,201901171- 172175. 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