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《工礦自動化雜志》2016年第11期

摘要：

針對電傳動系統運行過程中會產生大量實時數據的問題，對電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統進行了研究。該系統采用分布式CAN總線實現工業現場數據傳輸和鏟運機運行數據采集；以無線通信網絡為傳輸通道，利用TCP／IP異步傳輸原理，通過車載客戶端子系統和服務器子系統實現了車載數據的遠程傳輸。

關鍵詞：

煤炭開采；電傳動；鏟運機；遠程數據傳輸；分布式CAN總線；TCP／IP異步通信

0引言

為了解決危險采場的出礦問題，降低采礦作業危險，遙控甚至無人采礦設備已經成為國內外同行研究的重點［1－2］。隨著電傳動技術的發展，更多的地下采礦設備采用電傳動系統。電傳動系統在運行過程中將產生大量的實時數據，這些數據可用于實時控制、設備優化和維護等。對這些數據進行采集、處理和異地存儲，成為采礦設備自動控制、遠程控制研究必不可少的技術手段。本文以電傳動地下鏟運機為研究對象，設計了其遠程數據傳輸系統。

1系統通信結構

本文討論的電傳動地下鏟運機為四輪驅動，柴油發動機輸出的機械能通過交流發電機轉換為電能，經過整流器和逆變器輸入4個輪邊電動機，輪邊電動機將電能轉換為動能，為車輛提供動力。由于鏟運機上采用的電子控制單元數量較多，電傳動系統運行時必須實現各個電控單元間的大量實時數據交換。CAN總線具有結構簡單、數據可靠性高、連接便捷、節點設置不受限制、錯誤檢測能力良好等優點，在車輛控制系統上已經得到了普遍應用［3］，因此采用CAN總線實現工業現場數據傳輸。為了滿足日常生產的通信需求，地下礦山的巷道中通常鋪設有無線通信網絡，與調度中心的網絡相連。因此，電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統以該無線通信網絡為傳輸通道，以TCP／IP協議作為通信協議，利用Socket網絡編程技術，實現電傳動地下鏟運機運行數據的遠程傳輸和實時監控。系統通信結構如圖1所示。根據作用的對象不同，電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統分成了2個子系統：車載客戶端子系統和遠程服務器子系統。車載客戶端子系統主要負責發送實時運行數據和接收操作臺指令，并將控制指令發送給主控制器；遠程服務器子系統負責接收運行數據，解析處理數據和發送操作臺指令。由于系統需要監控的數據量較大，為了保證數據通信的可靠性和實時性，系統采用異步TCP通信方式［5－6］。

2分布式CAN總線網絡

由于電傳動控制系統復雜性較高，控制對象在結構上相對分散，所以，按照功能將整個控制系統分成若干子系統，形成分布式控制結構［4］。分布式CAN總線結構如圖2所示。CAN總線網絡以電傳動地下鏟運機的主控制器為核心，分為4路CAN網絡拓撲，采用主從式通信模式。CAN1為柴油發動機控制網絡，主控制器直接與柴油發動機的電控單元（ElectronicControlUnit，ECU）進行通信，遵循SAEJ1939協議；CAN2為車輛動力控制網絡，主控制器對包括勵磁控制器、斬波制動控制器和輪邊牽引電動機逆變器進行控制；CAN3為輔助控制網絡，主控制器對鏟運機鏟裝機構的液壓控制器、顯示屏、儀表等進行控制；CAN4為數據傳輸網絡，主控制器將其他網絡采集的實時數據傳輸至車載計算機。為了提高每個網絡數據傳輸的抗干擾性和可靠性，在各網絡的終端加入120Ω的終端電阻。根據工程經驗，CAN總線網絡的通信波特率采用250kbit／s可以滿足通信需求。為了保證CAN總線通信暢通，總線占用率最好保持在33％～66％。根據位填充技術，數據幀m的最壞總線占用時間Cm為Cm｜ms＝34＋8dm5＋47＋8d（）mτbit＝0．5224（1）式中：dm為數據域字節數，該通信協議下最大為8；τbit為位時間，在250kbit／s波特率下為0．004ms。由于CAN2運行時所產生的數據量最大，為了統一網絡協議標準，其他網絡的通信周期以CAN2為標準，則CAN2中全部數據幀的最壞總線占用時間之和約為10．5ms。因此，可選取的通信周期為15～30ms。根據主控制器工作周期，本文選取25ms為CAN總線通信周期。由于各個控制器的啟動時間不同，尤其是車載計算機的啟動時間晚于其他控制器，為了保證車載運行數據的完備性，設計了啟動后的握手檢驗系統。主控制器啟動后不斷向其他控制器發送握手信號，其他控制器收到握手信號后向總線發送握手反饋信號，主控制器收到全部握手反饋信號后，跳出握手檢驗系統，開始執行行車控制。

3系統設計

3．1車載客戶端子系統

車載客戶端子系統將CAN總線傳來的實時數據簡單處理后進行本地存儲，通過無線通信網絡與調度中心數據服務器進行遠程數據交互；同時解析操作臺的控制指令，通過CAN總線將控制指令發送到主控制器。車載客戶端子系統軟件流程如圖3所示。

3．2遠程服務器子系統

遠程服務器子系統主要由2個部分構成，第1部分的作用是接收車載客戶端子系統發送的數據并進行解析，將駕駛員所要了解的車輛信息（如車速、發動機轉速、檔位狀態等）顯示出來，并將解析后的數據存入調度中心的數據庫；第2部分的作用是響應操作臺控制器采集到的控制指令（手柄、踏板等）。

3．3數據通信校驗

為防止網絡不穩定導致數據錯誤，在客戶端與服務器的通信中加入校驗信息。當車載實時數據解析并封裝成數據包準備發送時，待發送數據包就是一個包含有用數據的數組。對數組中的值進行循環冗余校驗（CRC），得出CRC值，再將CRC值附到數據包后進行發送。服務器收到數據后提取出CRC值，并對數據包中的內容進行校驗，再將得出的值與收到的CRC值進行比對。若兩值相等，則說明數據可信，該包數據會被系統解析，并存儲及顯示；若兩值不相等，則說明數據傳輸有誤，直接舍棄該包數據并等待下一包數據。客戶端數據校驗原理類似。客戶端和服務器數據包結構如圖5所示。客戶端和服務器發送的數據包分別以相應的起始標志符開始，隨后依次為數據發送時間、數據長度、數據區和校驗區，最后以終止標志符結束。各區域間用“；”分隔，數據區各數據之間用“，”分隔。

4結語

電傳動地下鏟運機遠程數據傳輸系統采用分布式CAN總線結構，利用TCP／IP異步傳輸原理實現了實時數據遠程傳輸功能。分布式CAN總線結構具有很高的可靠性，可以有效采集實車運行數據，利用TCP／IP異步傳輸原理進行數據遠程通信具有可行性。

參考文獻：

［1］戰凱，顧洪樞，周俊武，等．地下遙控鏟運機遙控技術和精確定位技術研究［J］．有色金屬，2009，61（1）：107－112．

［2］高夢熊．國內外地下金屬礦山采礦車輛的現在與未來［C］／／中國礦業科技大會論文集，蘇州，2010：43－64．

［3］楊超，劉立，陳樹新，等．基于CAN總線的地下鏟運機遙控系統的研究［J］．礦山機械，2011，39（3）：30－32．

［4］鐘恒．多輪電傳動車輛控制方法的研究［D］．北京：北京科技大學，2012．

［5］徐小東．基于socket技術的數據交換平臺的設計與實現［D］．上海：上海交通大學，2006．

［6］張允剛，劉常春，劉偉，等．基于Socket和多線程的遠程監控系統［J］．控制工程，2006，13（2）：175－177．

作者:張虓 羅維東 單位:北京科技大學機械工程學院