唐會成

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展及自動化技術的不斷提升，對能源的要求與日俱增。煤炭作為能源，對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關重要。因此，煤礦采掘設備的自動化越來越受到人們的重視。電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是煤礦采掘設備的主要組成部分。電液控制系統(tǒng)對電氣和液壓進行綜合控制，其技術的先進性將有助于提高設備自動化程度、增加工作效率、降低工人勞動強度［1］。

控制器局域網(wǎng) (controller area network，CAN)總線是德國Bosch公司最先提出的、為解決汽車測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而設計的一種現(xiàn)場總線。其具有獨特的設計及良好的性能，已經(jīng)在機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域得到廣泛應用。本文從采掘設備實際工況需求出發(fā)，將CAN總線的分布式控制系統(tǒng)與電液控制相結合，并應用到采掘設備系統(tǒng)的設計中，提高了設備的自動化水平［2］。

1 CAN總線技術及其特點

1．1 CAN總線技術

CAN是國際標準化組織(International standards organization，ISO)的一種串行總線通信協(xié)議。CAN總線是一種支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，被稱為工業(yè)自動化控制領域的計算機局域網(wǎng)?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)各節(jié)點之間的實時、可靠數(shù)據(jù)傳輸。其被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備。1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運載工具-數(shù)字信息交換-高速通信CAN國際標準ISO 11898，為CAN標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。CAN總線是當前自動化領域技術發(fā)展的熱點之一［3］。CAN控制器通過2根線(CAN-H和CAN-L)構成通信總線。CAN總線的信號是由2根線之間的差分電壓決定的。當CAN-H為3．5 V、CAN-L為1．5 V、差分電壓為2 V時，表示顯性邏輯(0);當CAN-H和CAN-L為2．5 V、差分電壓為0 V時，表示隱性邏輯(1)。

1．2 CAN總線特點

CAN協(xié)議與傳統(tǒng)總線網(wǎng)絡的最大不同在于其對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，使網(wǎng)絡中所有節(jié)點可同時收到相同的數(shù)據(jù)，確保了控制系統(tǒng)的實時性;通信數(shù)據(jù)短幀結構，每幀包括幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)段、方管(acknowledgement，ACK)段、幀結束。其中:數(shù)據(jù)段為8個字節(jié)有效數(shù)據(jù);CRC段的檢驗可提供相應的錯誤處理功能;短幀結構數(shù)據(jù)傳輸時間短，降低了受干擾的概率，提高了通信的可靠性。

CAN總線采用了多主競爭式總線結構?；诜瞧茐男灾俨眉夹g，CAN總線上的任意節(jié)點可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且不分主次，實現(xiàn)了各節(jié)點之間的自由通信。當2個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突;節(jié)點可同時接收相同的數(shù)據(jù)。這些特點使得CAN總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，且容易構成冗余結構，提高了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。此外，CAN總線節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，可以自動關閉總線并從中脫離，以保護網(wǎng)絡其他節(jié)點的通信不受干擾;同時，總線節(jié)點可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文。

2 電液比例控制技術

2．1 液壓系統(tǒng)控制方式

煤礦井下工作環(huán)境惡劣以及對電氣元件安全標準的要求，制約了采掘設備自動化控制技術的發(fā)展。近年來，隨著國家“減員增效”政策及“數(shù)字化礦井”概念的提出，我國煤礦井下采掘設備及其相關控制器件得到迅速發(fā)展。采掘設備液壓控制系統(tǒng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)手動控制、液壓先導控制、電液開關控制、電液比例控制等發(fā)展階段。純液壓控制通過操作設備手動操作閥來執(zhí)行相應的功能，如油缸伸縮、驅(qū)動行走馬達前進后退等。由于每一個操作閥對應一個功能難以實現(xiàn)自動化流程的控制，且需要本地操作，增加了操作人員的風險。電液比例控制是集機械、液壓、微電子、控制器、遠程遙控、信息網(wǎng)絡為一體的綜合電氣自動化控制。電液比例控制技術的性能介于伺服控制和開關控制之間。相對于伺服閥，電液比例閥具有成本低、對油液污染不敏感、抗污染能力強、維護方便等特點，而電液開關閥控制精度低、不能調(diào)節(jié)，難以滿足高質(zhì)量控制要求。電液比例技術融合了電氣控制技術和微電子技術在信號檢測、放大、處理和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢，結合分布式通信網(wǎng)絡，可實現(xiàn)遙控操作和按復雜程序動態(tài)響應，使之在煤礦采掘設備自動化控制領域有廣闊的應用前景［4］。

2．2 電液比例控制原理

電液比例控制原理是:控制器輸出電流控制信號后，比例閥內(nèi)的電磁鐵會產(chǎn)生與電流成比例的電磁推力;利用電磁推力推動閥芯，閥口開啟行程與電磁力成正比;通過閥口開啟的大小控制液壓系統(tǒng)壓力和流量;如果控制器電流信號按比例或一定程序變化，則比例電磁閥的閥口也隨之變化［5］。比例閥電液控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 比例閥電液控制系統(tǒng)框圖Fig．1 Electrohydraulic control system of proportional valve

控制器發(fā)出控制信號e，經(jīng)過驅(qū)動器放大處理脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)電壓信號U;U流入電液比例閥的比例電磁鐵，產(chǎn)生電流I;I按比例轉(zhuǎn)換成電磁力F;F作用在液壓閥的閥芯上產(chǎn)生推力使之移動，從而控制閥芯開口、方向和大小，產(chǎn)生不同的流量、壓力;通過執(zhí)行元件 (液壓缸、液壓馬達)，使負載獲得力F與速度v。

2．3 電液比例控制的主要優(yōu)點

電液比例控制主要有以下優(yōu)點。

①操作方便，容易實現(xiàn)遙控。

②自動化程度高，容易實現(xiàn)編程控制。

③工作平穩(wěn)，控制精度較高。

④結構簡單，使用元件較小，對污染不敏感。

⑤系統(tǒng)的節(jié)能效果好。

3 CAN總線電液控制系統(tǒng)

煤礦井下采掘設備電氣控制系統(tǒng)是采掘設備自動化控制系統(tǒng)的核心，而電液比例控制技術是提高煤礦井下采掘設備自動化水平的必要手段。采掘設備的電液控制系統(tǒng)可以提高設備的生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度。通過遠程遙控操作，可改善工人生產(chǎn)環(huán)境，確保煤礦安全生產(chǎn)。系統(tǒng)以CAN通信網(wǎng)絡構建的分布式控制系統(tǒng)為基礎，以主控制器為核心，結合PWM控制器、遙控器及人機操作界面，綜合運用機械、液壓、電子技術、控制技術、網(wǎng)絡通信技術，以構建煤礦井下采掘設備綜合電液控制系統(tǒng)［6］。電液控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 電液控制系統(tǒng)結構圖Fig．2 Structure of electrohydraulic control system

3．1 主控單元

主控單元是采掘設備控制系統(tǒng)的核心，其主要功能是對各傳感器數(shù)據(jù)進行采集、分析、計算，同時調(diào)節(jié)CAN總線網(wǎng)絡與各分布式單元的實時數(shù)據(jù)交互，并通過復合邏輯控制實現(xiàn)CAN總線各節(jié)點的信息共享及CAN總線網(wǎng)絡所有單元的協(xié)同工作。此外，主控單元還控制采掘設備的截割電機、運輸電機、油泵電機啟動、停止，并通過綜合保護器對電機進行過熱、過載、缺相保護。通過連接聲光報警器，在啟動前對采掘設備各電機進行預警，告知周圍人員設備即將運行，以提高設備使用的安全性。通過控制照明燈，以及油溫、油位傳感器，對液壓系統(tǒng)進行保護。

主控單元主要由煤礦用隔爆殼體、控制變壓器、電流傳感器、電壓傳感器、斷路器、接觸器、開關電源、綜合保護器、嵌入式控制器等組成。嵌入式控制器為CX8050。其既可作為CANopen主站，也可作為單純的CAN主站。另有一個10/100 Mbit/s以太網(wǎng)接口，可用于系統(tǒng)接入煤礦井下以太網(wǎng)，將系統(tǒng)信息上傳到地面監(jiān)控室。CAN總線隔離中繼器YHCB6，通過總線隔離器實現(xiàn)總線網(wǎng)絡分布式節(jié)點間的電氣隔離。當某段總線出現(xiàn)故障時，不會影響總線的其他節(jié)點。應用該模塊將單路的CAN總線轉(zhuǎn)換為多路的CAN總線，具有極強的總線抗干擾功能。

3．2 分布式單元

分布式單元包括PWM控制器。該單元采用EPEC2024控制器。該控制器在高震動、大溫度變化和潮濕等條件下仍能正常、可靠運行。該控制器具有體積小、性能高等優(yōu)點，廣泛應用于地面各種工程機械。通過編程軟件，可配置24路PWM輸出;通過配置PWM輸出信號的頻率，可以調(diào)節(jié)電磁閥響應速度、控制精度。增大PWM頻率可以降低電磁閥線圈，保持電流的波動，但如果PWM頻率過高，電路的干擾也會相應增大。因此，需優(yōu)化PWM頻率，以降低電磁閥線圈的電流波動和電路的電磁干擾。在保證電磁閥可靠吸合的情況下，采用較小的PWM頻率，不但可以降低電磁閥線圈的功耗，而且可以提高電磁閥關閉時的響應速度。

3．3 人機界面

人機界面是操作人員與采掘設備交流平臺。通過人機界面，工作人員可以方便、及時地了解采掘設備的工作運行參數(shù)和故障狀態(tài)。采掘設備運行中的各種參數(shù)都會通過人機界面反饋給操作人員，使操作人員可以更好地掌控設備狀態(tài)，從而提高工作效率。當采掘設備發(fā)生故障時，通過人機界面反饋的信息可以縮短查找故障時間［7］。

人機界面的組態(tài)軟件通過CAN總線數(shù)據(jù)采集和過程控制圖庫，以圖形的形式直觀且實時地顯示采掘設備各個執(zhí)行機構的動作，如電機啟停狀態(tài)、電磁閥開啟閥心行程、左右行走履帶轉(zhuǎn)動方向、油缸升降等。

3．4 遙控單元

遙控控制單元主要由礦用本質(zhì)安全型控制發(fā)射器和礦用隔爆型遙控接收機組成。礦用本質(zhì)安全型遙控器對精確度、靈敏度、信號連貫性、實時性、抗干擾性、遙控距離、防水防塵、耐酸堿性等性能有較高的要求。接收機的主要功能是將接收到的來自控制發(fā)射器的操作信息，通過CAN總線發(fā)送給采掘設備主控制器。主控制器通過接收到的控制信息，分析判斷該控制信息的執(zhí)行單元是否為總線上的分布式節(jié)點，然后綜合整個控制系統(tǒng)的狀態(tài)，確定動作是否可以執(zhí)行。如可執(zhí)行，則將控制信息通過CAN總線發(fā)送，并由相應控制單元根據(jù)控制信息執(zhí)行。遙控發(fā)射器具有4路開關量控制信號，分別為電機啟動、停止、照明和急停;還具有6路模擬信號，分別為2路左右履帶行走和4路油缸伸縮［8］。

發(fā)射器技術參數(shù)如下:頻率范圍為405～475 MHz;通信距離≥100 m(空曠環(huán)境下);操作元件為6個線性搖桿、6個撥動開關;工作溫度范圍為 －25～+70℃;防護等級為IP65。

4 軟件設計

程序設計框圖如圖3所示。

圖3 程序設計框圖Fig．3 Block diagram of program design

主控制系統(tǒng)軟件按其程序控制執(zhí)行單元，分為主控單元控制程序和分布單元控制程序。程序采用模塊化設計、循環(huán)掃描方式執(zhí)行，具有較高的可讀性。主控單元控制程序包括程序初始化(即擴展模塊I/O口狀態(tài)檢測)、傳感器數(shù)據(jù)采樣和處理程序、故障處理和保護程序、各執(zhí)行部件控制程序。分布式單元控制程序包括CAN總線節(jié)點在線檢測及離線處理程序、電液控制程序、人機界面顯示程序、遙控系統(tǒng)通信程序等。針對每個不同功能的模塊程序，分別進行程序結構設計、軟件編寫及調(diào)試。最后，由主控程序根據(jù)各部分程序功能按邏輯關系將其組合在一起。

5 結束語

煤礦井下采掘設備采用分布式電液控制，使液壓系統(tǒng)管路布置簡潔，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性、可維護性。實際應用中，遙控器可以實現(xiàn)設備的遠程操作，保障操作人員安全。同時，遙控器不僅可以操作每個電液比例閥單獨工作，還可以根據(jù)設備動作流程，通過控制程序設計實現(xiàn)采掘設備的自動化控制，降低工作勞動強度，提高設備生產(chǎn)效率。電液比例控制技術是煤礦井下采掘設備自動化控制的關鍵技術，是實現(xiàn)煤礦井下安全高效生產(chǎn)的必要條件。隨著“自動化、數(shù)字化礦井”概念的提出、“減人增效”政策的實施，電液控制技術在我國煤礦井下采掘設備的應用具有廣闊的發(fā)展前景［9］。