基于CAN总线的矿用自移设备列车控制系统设计*

田克君

(1. 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

在井下综采工作面顺槽中一般布置有乳化液泵、开关组、负荷中心等机械设备，为综采工作面提供各种动力源[1]。随着采煤机和转载机的向前推移，这些设备也需要不断地向前移动。目前我国设备列车仍然以前移的方法来实现列车自动迈步前移、行走等功能[2]。超长距离自移设备列车及配套装备(下称自移设备列车)集成列车自移、行走调偏、管缆随动、防掉道等功能，实现锚固牵引装置带动整个设备列车及配套装备的迈步式前移，综采工作面顺槽作业成套化、系统化和自动化[3]。为满足自移设备列车各组成部分的迈步、前移、承载等功能，同时实现整个系统的自动化、无人化管理，对电气控制系统提出了新要求。

近十年来，在煤矿井下CAN现场总线控制系统已经不断地应用并组建现场总线系统。

CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，由于其通信速率高、可靠性好、价格低廉等特点，被广泛应用于车辆控制、楼宇自动化、数控技术等各种控制领域中[4]。作为一种多主方式、高速率、高可靠性的串行通信总线，CAN总线非常适用于自移设备列车这种分布式实时控制系统。

根据矿用设备列车控制系统的控制单元多、距离长、实时性要求高、同步(交叉)迈步特性，利用CAN总线实时性强、多主控制、抗干扰性强等特点，结合自移设备列车的牵引行走、迈步自移、升降等特点，本文设计了矿用设备列车控制系统并得以应用。

1 系统方案

自移设备列车布置于运输顺槽巷道，由锚固牵引装置、迈步自移装置、管缆伸缩承载系统和控制系统4部分组成。

自移设备列车前部配置锚固牵引装置，后面有多辆平板车(超过40辆)，总长度超过220 m，具体组成如图1所示。平板车控制要求可以同时提升或分组提升。设备列车位于轨道之上，与轨道互为支点，实现迈步前移。

图1 自移设备列车组成

系统中牵引车和每个平板车控制单元作为一个CAN节点接入CAN网络，各个控制单元组成一个CAN现场总线实时控制网络，如图2所示。

图2 自移设备列车控制系统

牵引车配有控制器、液压动力站、显示单元等。液压动力站为整个系统提供液压动力，是液压元件的动力源。显示单元集中显示控制系统的状态信息。牵引车控制单元除了完成泵站启停、系统压力监测之外，还需要对各平板车单元进行油缸升降的集中控制；同时，可以通过CAN网络读取系统中其他单元(包括平板车单元)的各个参数，并将控制内容发送至CAN网络。

各个平板车控制单元实时监测本单元的提升油缸和推移油缸的位移参数，以及本单元的管路压力和液压油温度，并将这些数据实时发送至CAN网络；同时，还可以接受CAN网络中其他单元(包括牵引车单元)的状态信息和控制内容。

在整个控制系统中，每个控制单元不分主从，都可以通过本单元对控制系统进行控制，实现对各平板车的集中管理，完成设备列车的统一调度，实现整个平板车组的自动迈步前移、升降。

各个单元除了可以完成集中控制外，还可以完成本地控制，便于进行本地单元的手动操作。

2 控制器设计

设备列车控制器包括硬件系统和软件系统。采用嵌入式系统分层结构的设计思想[5]，分别对硬件系统和软件系统进行设计，便于硬软件工作的开展与衔接。控制器系统结构如图3所示。

图3 控制器系统结构

硬件系统包括嵌入式微控制器、CAN功能部件及油缸位移采样、推移和升降驱动电路。其中，嵌入式微控制器为系统的控制核心和运算核心；功能部件包括CAN功能部件和其他功能部件，这些功能部件通过外围电路与外界交互；油缸位移采样电路完成对油缸活塞杆伸出长度的检测并进行A/D转换；油缸推移、升降电路完成对推移油缸、升降油缸的驱动控制，通过驱动油缸的推移和升降，从而实现设备列车的整体迈步平移和各平板车的升降。

软件系统包括底层实时操作系统、CAN驱动库和其他驱动库(如模数转换、中断等)[6]。应用层软件包括油缸位移采样子程序和油缸推移、升降子程序。由于在油缸中加入了位移控制器，在油缸推移和升降过程中，需要对油缸位移进行反馈比较，从而实现油缸推移和升降的闭环控制，进一步实现自移设备列车的整体前移、升降同步控制。

设备列车平板车控制器采用嵌入式微控制器作为核心控制器，硬件结构如图4所示。该控制器的优点是芯片内部集成了很多功能，如ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、串行口、脉宽调制输出口等[7]。

图4 控制器硬件结构

油缸位移等模拟量输入信号(如1～5 V电压、4～20 mA电流等)通过A/D转换和信号调理后接入中央控制器，模拟量输出通过D/A转换后接电磁阀以控制油缸的升降速度。阵列键盘用于系统参数设置，其通过键盘芯片后经片内串行总线SPI直接和微控制器完成数据交换。控制按键用于控制设备列车的推移、升降，其直接接入微控制器的GPIO。开关量输出通过将GPIO的输出信号进行调理放大后驱动继电器，将开关量输出信号给电动机控制系统。另外，硬件中还有LCD显示屏驱动和显示内容控制、以太网接口等。

CAN硬件电路有2种方案：一种是使用带片内CAN控制器的微控制器，这种方法电路图紧凑，便于制作电路板，同时减少硬件故障；另外一种是使用独立的CAN控制器，例如SJA1000、MCP2510等。从减少成本和降低故障率的角度考虑，本方案中使用带CAN控制器的ARM芯片，选用PCA82C250收发器实现控制器和物理传输线路之间的连接转换。另外，本系统设计了两路CAN通信网络。一路为矿用设备列车控制系统牵引车和各平板车之间通信；另一路接入井下工业自动化CAN网络，为井下自动化系统提高网络接口，便于信息的共享与连通。这样设计的优点是本地CAN网络和井下系统CAN网络分别建立，防止不同CAN网络之间的干扰信息传入，减少CAN网络故障，降低数据传输丢包率。同时，若某一路CAN网络出现故障时，可以通过简单的设置实现两路CAN网络的切换，便于快速恢复网络，实现网络冗余。

3 CAN通信协议

CAN协议的数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种。标准格式有11位标识符，扩展格式有29为标识符。由于设备列车CAN网络系统中节点数量不多(小于100)，便于网络识别和数据传送，所以采用标准帧格式。牵引车和各平板车分别对应不同的ID号，ID号编码规则见表1。在牵引车单元中

表1 标识符号分配

的系统控制设置功能对应报文由牵引车单元发送、各平板车单元接收，各单元报文格式见表2和表3。

在每个控制单元中有CAN控制和状态子程序，便于将CAN通信网络中不同标识符的控制内容和状态内容分别转换成便于系统统一管理的变量，提高程序的可读性和编程效率。

表2 牵引车单元报文

表3 平板车单元报文

需要特别注意的是，由于一个单元可以有多个标识符，所以要根据不同单元、不同功能来分配标识符，避免标识符重复，造成CAN总线通信故障。

4 结语

以液压为动力，集成自带轨道、高度集成列车自移、行走调偏、管缆随动、防掉道等功能的矿用自移设备列车要求控制系统具有分布式控制、实时性、本地/主控切换等功能。基于CAN总线的FCS控制系统可以连接多个控制单元、实时完成控制指令和执行机构的控制，同时监测系统的运行状态。通过验证，自移设备列车取得了优良的使用效果，首次使综采工作面顺槽运输作业成套化、系统化、自动化。

限于篇幅，本文未对控制系统中的其他功能(如自移、行走、自动补液等)做介绍。