宋單陽(yáng), 宋建成, 陶心雅, 楊金衡, 盧春貴
(1.太原理工大學(xué) 礦用智能電器技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;2.太原理工大學(xué) 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;3.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,山西 太原 030024)
液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化開(kāi)采的重要設(shè)備之一,其工作的可靠性、高效性對(duì)于保障工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。電液控制器是液壓支架電液控制系統(tǒng)的基本組成單元,承擔(dān)著通信、感知、控制、決策等多項(xiàng)任務(wù),其中通信功能是電液控制系統(tǒng)眾多功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[3-4]。液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)的可靠性直接影響電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通信系統(tǒng)故障易造成電液控制系統(tǒng)誤動(dòng)、拒動(dòng),對(duì)工作面生產(chǎn)安全形成威脅[5]。因此,開(kāi)發(fā)帶有故障診斷功能的電液控制器通信系統(tǒng),保證電液控制系統(tǒng)信息可靠、準(zhǔn)確傳遞,對(duì)于提高工作面智能化水平、降低工作面生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。
現(xiàn)有液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)大部分采用串行總線(xiàn)通信,部分采用以太網(wǎng)通信[8-9]。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線(xiàn)的電液控制器通信系統(tǒng),改善了控制器延遲和擁堵問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]介紹了一種采用以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)互為冗余的支架控制器,提高了電液控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于3條RS485總線(xiàn)的電液控制通信系統(tǒng),解決了數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。上述研究初步解決了液壓支架電液控制器通信可靠性問(wèn)題,但均不具有故障定位和故障診斷功能,不利于快速有效地查詢(xún)或排除故障。針對(duì)上述問(wèn)題,本文根據(jù)綜采自動(dòng)化工作面通信技術(shù)要求,基于ZDYZ?JK型支架電液控制器,開(kāi)發(fā)了具有故障診斷和故障定位功能的液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)。
液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、通信距離長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、可靠性要求高[12],通常有 120~170 個(gè)節(jié)點(diǎn),通信距離達(dá)到 500 m以上。井下工作面電磁環(huán)境復(fù)雜,大型設(shè)備啟停時(shí)產(chǎn)生電磁波干擾,同時(shí)在電網(wǎng)中造成電源諧波干擾;開(kāi)關(guān)電源、變頻器、接觸器開(kāi)閘合閘,同樣會(huì)造成諧波干擾;有時(shí)電網(wǎng)還會(huì)產(chǎn)生浪涌,直接損壞設(shè)備硬件。在上述條件下,要求液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)必須具有一定的抗干擾能力。因此,在通信系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)采用屏蔽雙絞線(xiàn)、差分電平信號(hào)方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量不少于200個(gè)[10],設(shè)計(jì)通信距離為1 000 m。另外,還要求系統(tǒng)硬件具有防過(guò)電壓、過(guò)電流設(shè)計(jì)。通過(guò)這些手段抑制井下常規(guī)干擾,保證通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
液壓支架電液控制系統(tǒng)的電液控制器包括1臺(tái)主控制器和若干臺(tái)間架控制器,主控制器和間架控制器為主從關(guān)系。電液控制器通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是將間架控制器采集到的傳感器信息上報(bào)給主控制器、將主控制器的集中控制命令傳輸至間架控制器、將任意間架控制器的鄰架操作命令傳輸至目標(biāo)間架控制器等。由于通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多、信息量大、對(duì)象廣,如果采用串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在信息的逐級(jí)傳遞過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致極大時(shí)延;如果采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),則會(huì)有比較嚴(yán)重的總線(xiàn)擁堵問(wèn)題,且總線(xiàn)結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)排序功能。所以,綜合兩方面因素考慮,本文設(shè)計(jì)了具有雙路通信的液壓支架電液控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò),其中一路采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)同時(shí)連接主控制器和所有間架控制器,另一路則采用串聯(lián)結(jié)構(gòu),僅連接相鄰2臺(tái)間架控制器[13-14]。2路通信進(jìn)行了分工,其中主控制器與間架控制器之間的通信采用總線(xiàn)方式,手動(dòng)模式下的間架控制器間鄰架通信及控制則采用串聯(lián)方式,二者互不干擾[15]。對(duì)于總線(xiàn)通信,選用具有多主結(jié)構(gòu)的CAN總線(xiàn)方式,利用CAN總線(xiàn)的仲裁、檢錯(cuò)和隔離機(jī)制,有利于提高總線(xiàn)通信的可靠性,CAN總線(xiàn)通信速率設(shè)計(jì)為500 kbit/s。對(duì)于串聯(lián)通信,則采用RS485點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式,通信速率設(shè)計(jì)為9 600 bit/s。通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中,MCU為ZDYZ?JK型液壓支架電液控制器所采用的STM32單片機(jī)。該單片機(jī)集成有CAN總線(xiàn)控制器和UART通用串行接口。另外,設(shè)計(jì)采用TD501DCAN模塊作為CAN收發(fā)器、TD501D485H-E模塊作為RS485收發(fā)器。該系列模塊集成有電源隔離和信號(hào)隔離,具有較強(qiáng)的抗電源波動(dòng)和電磁干擾的能力,還擁有±4 kV抗靜電防護(hù)能力,工作溫度為?40~+105 ℃,具有較高的可靠性。
圖1 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication system network structure
為進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)可靠性,設(shè)計(jì)了CAN通信模塊和RS485通信模塊電路,如圖2、圖3所示。在2種通信電路中,都采取相同的抗干擾和抗過(guò)載設(shè)計(jì)方案:在通信模塊供電電路設(shè)計(jì)中利用瞬態(tài)抑制二極管和濾波電容抑制供電電源的瞬時(shí)脈沖和低頻、高頻諧波,從而提高電源純凈性。在通信電路差分信號(hào)線(xiàn)間,同樣使用瞬態(tài)抑制二極管對(duì)共模、差模信號(hào)進(jìn)行防護(hù)。采用正溫度系數(shù)熱敏電阻用于抑制過(guò)電流,利用三端陶瓷氣體放電管抑制電網(wǎng)浪涌干擾。
圖2 CAN 通信電路原理Fig.2 Principle of CAN communication circuit
圖3 RS485 通信電路原理Fig.3 Principle of RS485 communication circuit
本文選取通信系統(tǒng)在工作過(guò)程中主控制器與間架控制器間通信的3種主要命令作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)[16],對(duì)通信系統(tǒng)故障診斷功能軟件進(jìn)行設(shè)計(jì):① 主控制器修改間架控制器運(yùn)行參數(shù)。② 間架控制器向主控制器上報(bào)傳感器參數(shù)。③ 主控制器對(duì)間架控制器進(jìn)行動(dòng)作遠(yuǎn)程控制。
通信系統(tǒng)故障診斷軟件設(shè)計(jì):主控制器在向間架控制器下發(fā)命令和傳輸數(shù)據(jù)后,間架控制器根據(jù)接收到的命令和執(zhí)行、應(yīng)答結(jié)果對(duì)通信結(jié)果進(jìn)行診斷,并將診斷結(jié)果上報(bào)至主控制器。主控制器通過(guò)應(yīng)答結(jié)果和診斷結(jié)果判斷通信任務(wù)是否完成,若未完成,判斷可能出錯(cuò)的原因是什么、出現(xiàn)錯(cuò)誤的支架號(hào),以實(shí)現(xiàn)故障診斷和定位,并及時(shí)針對(duì)錯(cuò)誤發(fā)出報(bào)警。故障診斷流程如圖4所示。
圖4 故障診斷流程Fig.4 Flow of fault diagnosis
通信系統(tǒng)部署時(shí),對(duì)間架控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)排序,使其獲得唯一編號(hào)。間架控制器在接收到來(lái)自主控制器的通信信號(hào)后,在執(zhí)行命令的過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷并記錄故障情況。同時(shí)通過(guò)RS485鄰架通信周期性向相鄰支架上的間架控制器發(fā)送診斷信息,使存在總線(xiàn)通信故障的間架控制器的診斷結(jié)果能夠通過(guò)相鄰支架上的間架控制器反饋給主控制器,通過(guò)這種方式可在間架控制器發(fā)送報(bào)文功能故障或出錯(cuò)時(shí)及時(shí)對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行上報(bào)。上報(bào)內(nèi)容包含控制器編號(hào)信息,以實(shí)現(xiàn)故障定位。
為了實(shí)現(xiàn)基于命令下發(fā)?應(yīng)答的故障診斷和狀態(tài)報(bào)告,設(shè)計(jì)了液壓支架電液控制器的通信協(xié)議,其中主控制器發(fā)送命令報(bào)文有效內(nèi)容見(jiàn)表1,間架控制器應(yīng)答報(bào)文有效內(nèi)容見(jiàn)表2。
表1 主控制器發(fā)送命令報(bào)文有效內(nèi)容Table 1 Command sent message effective content of main controller
表2 間架控制器應(yīng)答報(bào)文有效內(nèi)容Table 2 Response message effective content of support controller
選擇特定的單片機(jī)自診斷寄存器和協(xié)處理寄存器作為通信故障診斷寄存器。間架控制器執(zhí)行命令過(guò)程中,在相應(yīng)執(zhí)行階段對(duì)自診斷寄存器或協(xié)處理寄存器進(jìn)行置位,置位規(guī)則見(jiàn)表3。
表3 寄存器置位規(guī)則Table 3 Register setting rules
在控制命令下發(fā)過(guò)程中,主控制器將收到來(lái)自被控間架控制器及其相鄰支架上的間架控制器的應(yīng)答信息,主控制器從中提取被控間架控制器的編號(hào)和命令功能碼,并將自診斷寄存器和協(xié)處理寄存器信息組合在一起,即可判斷本次命令是否被正確執(zhí)行。若主控制器發(fā)送至被控間架控制器的命令沒(méi)有收到任何應(yīng)答,則判定該間架控制器不能正確接收通信命令;若只收到被控間架控制器相鄰支架上的間架控制器的應(yīng)答,則判定被控間架控制器不能正確發(fā)送通信信息。若只收到被控間架控制器的應(yīng)答,則判定被控間架控制器相鄰支架上的間架控制器不能正確發(fā)送信息或兩間架控制器間的RS485通信故障。綜合以上全部?jī)?nèi)容,最終的故障判斷規(guī)則見(jiàn)表4。
表4 故障判斷規(guī)則Table 4 Fault judgment rules
間架控制器主動(dòng)上傳的通信報(bào)文稱(chēng)為診斷應(yīng)答報(bào)文。診斷應(yīng)答報(bào)文會(huì)增加需要傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)量,消耗更多的通信總線(xiàn)帶寬,提高總線(xiàn)負(fù)載率。過(guò)高的總線(xiàn)負(fù)載率容易造成總線(xiàn)擁堵,降低通信實(shí)時(shí)性和可靠性。一般應(yīng)將CAN總線(xiàn)負(fù)載率控制在30%以?xún)?nèi)[17],以保證通信可靠進(jìn)行。為驗(yàn)證增加故障診斷功能后,通信系統(tǒng)CAN總線(xiàn)負(fù)載率是否符合要求,需對(duì)所設(shè)計(jì)的故障診斷功能帶寬消耗率進(jìn)行分析,繼而計(jì)算通信系統(tǒng)最高總線(xiàn)負(fù)載率。
增加的診斷應(yīng)答報(bào)文對(duì)通信總帶寬的消耗率k為
式中:Nd為診斷應(yīng)答報(bào)文發(fā)送的數(shù)據(jù)量;Ns為命令下發(fā)報(bào)文所發(fā)送的數(shù)據(jù)量;Td為診斷應(yīng)答報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)的單位時(shí)間周期;ti為第i次采樣中單位時(shí)間周期內(nèi)診斷應(yīng)答報(bào)文的平均發(fā)送周期,i=1,2,…,n,n為采樣次數(shù);Ts為命令下發(fā)報(bào)文發(fā)送數(shù)據(jù)的單位時(shí)間周期;tj為第j次采樣中單位時(shí)間周期內(nèi)命令下發(fā)報(bào)文平均發(fā)送周期,j=1,2,…,m,m為采樣次數(shù)。
2.2.1 線(xiàn)面混合數(shù)據(jù)預(yù)處理。若原始數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù),應(yīng)首先對(duì)混合矢量數(shù)據(jù)柵格化。原始河網(wǎng)數(shù)據(jù)覆蓋范圍較廣存在長(zhǎng)寬比較大的區(qū)域,為了完全轉(zhuǎn)換所有水道需設(shè)定一個(gè)合適的分辨率。像元的大小決定了柵格中要素呈現(xiàn)的粗細(xì)程度。像元過(guò)大,可能會(huì)出現(xiàn)信息丟失或圖樣模糊的情況;像元越小,柵格所表達(dá)的數(shù)據(jù)就越平滑或越詳細(xì)。以同樣大小像元對(duì)面狀矢量數(shù)據(jù)和線(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)柵格,設(shè)定輸出范圍一致,分別得到面狀河流的柵格圖層和線(xiàn)狀河流柵格圖層。
綜合式(1)?式(3)可得
診斷應(yīng)答報(bào)文和命令下發(fā)報(bào)文共同占據(jù)的總線(xiàn)負(fù)載率U為
式中:B為所設(shè)定的通信速率;TU為計(jì)算總線(xiàn)負(fù)載率的單位時(shí)間。
程序設(shè)定的診斷應(yīng)答報(bào)文定時(shí)發(fā)送理論周期為2 000 ms,命令下發(fā)報(bào)文發(fā)送周期與采煤機(jī)運(yùn)行速度和自動(dòng)控制工藝有關(guān)。但是由于間架控制器對(duì)于系統(tǒng)中控制命令的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)更高及模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣等其他中斷事件的存在,實(shí)際發(fā)送周期會(huì)有所偏差。所以,通過(guò)軟件實(shí)際抓取報(bào)文發(fā)送數(shù)量并統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均發(fā)送周期,代入式(4)、式(5)中繪制帶寬消耗率和總線(xiàn)負(fù)載率,如圖5所示。
圖5 帶寬消耗率Fig.5 Bandwidth consumption rate
從圖5可看出,由于通信系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能運(yùn)行略滯后于診斷功能,所以,在采樣開(kāi)始的前2 s,采樣軟件中僅記錄到少量的命令下發(fā)報(bào)文數(shù),而記錄到了較多的診斷應(yīng)答報(bào)文數(shù),此時(shí)帶寬消耗率很高;但此時(shí)通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膱?bào)文總數(shù)很少,因此總線(xiàn)負(fù)載率很低,僅為2.3%;隨著采樣時(shí)間的增加,到20 s時(shí),通信系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的診斷應(yīng)答報(bào)文數(shù)與命令下發(fā)報(bào)文數(shù)不再變化,帶寬消耗率和總線(xiàn)負(fù)載率曲線(xiàn)趨于平直,24 s時(shí)診斷應(yīng)答報(bào)文的帶寬消耗率為11%,總線(xiàn)負(fù)載率則為15%。
診斷應(yīng)答報(bào)文數(shù)與命令下發(fā)報(bào)文數(shù)均與系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)成正比,因此,節(jié)點(diǎn)數(shù)變化時(shí)通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的帶寬消耗率不會(huì)變化,而總線(xiàn)負(fù)載率則會(huì)增加。根據(jù)設(shè)計(jì),200個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),通信系統(tǒng)最高負(fù)載下每秒發(fā)送的命令報(bào)文為1 000幀;系統(tǒng)選取的CAN總線(xiàn)通信速率為500 kbit/s,在該速率下總線(xiàn)最高負(fù)載率為26%。增加故障診斷功能設(shè)計(jì)后,帶寬消耗率增加11%,使得最大節(jié)點(diǎn)數(shù)下總線(xiàn)負(fù)載率上升到28.86%,但低于30%。結(jié)果表明,通信系統(tǒng)增加故障診斷功能后,滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)負(fù)載率要求。
采用1臺(tái)主控制器和120臺(tái)間架控制器組成試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)人工設(shè)置通信系統(tǒng)故障來(lái)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)故障診斷功能的有效性。設(shè)置的故障見(jiàn)表5。
表5 故障詳情T(mén)able 5 Fault details
圖6 通信系統(tǒng)故障診斷功能試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Test platform for fault diagnosis function of communication system
平臺(tái)布置有120臺(tái)間架控制器和1臺(tái)主控制器,組成綜采自動(dòng)化工作面液壓支架電液控制系統(tǒng),間架控制器之間采用4.5 m電纜連接,間架控制器和主控制器間采用等效500 m模擬電纜連接。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),系統(tǒng)能夠執(zhí)行自動(dòng)排序操作,并實(shí)現(xiàn)主控制器向任意間架控制器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)在121個(gè)通信節(jié)點(diǎn)、最大通信距離約為1 040 m時(shí)工作良好,且節(jié)點(diǎn)數(shù)量可繼續(xù)增加,最高可達(dá)255個(gè),滿(mǎn)足200個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 000 m通信距離的設(shè)計(jì)要求。
針對(duì)每種故障主控制器均下發(fā)一次參數(shù)修改命令,該命令會(huì)對(duì)所有間架控制器發(fā)送參數(shù)修改指令。通信完成后主控制器對(duì)表5中各編號(hào)故障的判定結(jié)果見(jiàn)表6??煽闯鲋骺刂破鲗?duì)于以上所有故障均能成功檢測(cè),并且實(shí)現(xiàn)了故障控制器的定位。其中如③號(hào)、④號(hào)故障情況中的間架控制器出現(xiàn)軟件故障,可正確判定故障控制器編號(hào)和故障原因。而如②號(hào)、⑤號(hào)故障中的主控制器故障則被錯(cuò)誤地診斷為間架控制器故障,這是本系統(tǒng)的一個(gè)判斷盲點(diǎn)。
表6 故障診斷試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Fault diagnosis test results
上述盲點(diǎn)的產(chǎn)生,是因?yàn)橄到y(tǒng)只能根據(jù)主控制器、間架控制器間一對(duì)一的診斷信息來(lái)判斷故障,對(duì)硬件故障缺少檢測(cè)能力。
具體的改進(jìn)途徑:
(1) 主控制器應(yīng)結(jié)合與多臺(tái)或全部間架控制器的通信結(jié)果判斷故障,如⑤號(hào)故障情況中主控制器檢測(cè)到所有節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了接收故障,則應(yīng)判定為主控制器自身故障。
(2) 在④號(hào)故障中,雖判斷出30號(hào)間架控制器不能正確應(yīng)答,但命令的執(zhí)行情況不能得到有效反饋。在未來(lái)的改進(jìn)中,應(yīng)結(jié)合31號(hào)間架控制器協(xié)處理寄存器內(nèi)容和調(diào)取30號(hào)間架控制器自診斷寄存器內(nèi)容,實(shí)施進(jìn)一步診斷。
(3) 在⑥號(hào)、⑦號(hào)故障中,基于CAN協(xié)議本身應(yīng)答機(jī)制和錯(cuò)誤偵測(cè)功能,斷開(kāi)TXD或RXD引腳,都會(huì)判定設(shè)置故障的間架控制器離線(xiàn)??煽闯鐾ㄐ畔到y(tǒng)的故障檢測(cè)功能對(duì)間架控制器的硬件故障具有定位能力,但是未能正確診斷出故障類(lèi)型。有必要引入更多的信息,并增加硬件檢測(cè)環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)更精確的診斷。
(1) 針對(duì)綜采工作面通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、通信距離長(zhǎng)、電磁環(huán)境復(fù)雜的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種雙路結(jié)構(gòu)的液壓支架電液控制器通信系統(tǒng),采用CAN總線(xiàn)、RS485雙路通信和抗諧波、抗過(guò)電壓過(guò)電流設(shè)計(jì),提高了通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 040 m通信距離、121個(gè)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定可靠通信,提高了液壓支架電液控制系統(tǒng)通信質(zhì)量,為工作面智能化控制奠定了基礎(chǔ)。
(2) 設(shè)計(jì)了液壓支架電液控制器通信系統(tǒng)故障診斷和定位功能,可對(duì)由于工作面電磁干擾、電液控制器物理?yè)p壞、電液控制器軟件錯(cuò)誤等原因造成的多種通信故障進(jìn)行診斷和精確定位,簡(jiǎn)化了電液控制器通信系統(tǒng)的故障檢測(cè)和排除工作流程,對(duì)于提高實(shí)際生產(chǎn)效率具有促進(jìn)作用。