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）

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。

1 CANOpen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。

2 CANOpen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。

3 CANOpen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3 CANOpen模块的PDO通讯参数配制流程图

3.1 SDO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16#4500，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16#000080A2，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。