电传动铲运机远程数据传输系统研究范文

《工矿自动化杂志》2016年第11期

摘要：

针对电传动系统运行过程中会产生大量实时数据的问题，对电传动地下铲运机远程数据传输系统进行了研究。该系统采用分布式CAN总线实现工业现场数据传输和铲运机运行数据采集；以无线通信网络为传输通道，利用TCP／IP异步传输原理，通过车载客户端子系统和服务器子系统实现了车载数据的远程传输。

关键词：

煤炭开采；电传动；铲运机；远程数据传输；分布式CAN总线；TCP／IP异步通信

0引言

为了解决危险采场的出矿问题，降低采矿作业危险，遥控甚至无人采矿设备已经成为国内外同行研究的重点［1－2］。随着电传动技术的发展，更多的地下采矿设备采用电传动系统。电传动系统在运行过程中将产生大量的实时数据，这些数据可用于实时控制、设备优化和维护等。对这些数据进行采集、处理和异地存储，成为采矿设备自动控制、远程控制研究必不可少的技术手段。本文以电传动地下铲运机为研究对象，设计了其远程数据传输系统。

1系统通信结构

本文讨论的电传动地下铲运机为四轮驱动，柴油发动机输出的机械能通过交流发电机转换为电能，经过整流器和逆变器输入4个轮边电动机，轮边电动机将电能转换为动能，为车辆提供动力。由于铲运机上采用的电子控制单元数量较多，电传动系统运行时必须实现各个电控单元间的大量实时数据交换。CAN总线具有结构简单、数据可靠性高、连接便捷、节点设置不受限制、错误检测能力良好等优点，在车辆控制系统上已经得到了普遍应用［3］，因此采用CAN总线实现工业现场数据传输。为了满足日常生产的通信需求，地下矿山的巷道中通常铺设有无线通信网络，与调度中心的网络相连。因此，电传动地下铲运机远程数据传输系统以该无线通信网络为传输通道，以TCP／IP协议作为通信协议，利用Socket网络编程技术，实现电传动地下铲运机运行数据的远程传输和实时监控。系统通信结构如图1所示。根据作用的对象不同，电传动地下铲运机远程数据传输系统分成了2个子系统：车载客户端子系统和远程服务器子系统。车载客户端子系统主要负责发送实时运行数据和接收操作台指令，并将控制指令发送给主控制器；远程服务器子系统负责接收运行数据，解析处理数据和发送操作台指令。由于系统需要监控的数据量较大，为了保证数据通信的可靠性和实时性，系统采用异步TCP通信方式［5－6］。

2分布式CAN总线网络

由于电传动控制系统复杂性较高，控制对象在结构上相对分散，所以，按照功能将整个控制系统分成若干子系统，形成分布式控制结构［4］。分布式CAN总线结构如图2所示。CAN总线网络以电传动地下铲运机的主控制器为核心，分为4路CAN网络拓扑，采用主从式通信模式。CAN1为柴油发动机控制网络，主控制器直接与柴油发动机的电控单元（ElectronicControlUnit，ECU）进行通信，遵循SAEJ1939协议；CAN2为车辆动力控制网络，主控制器对包括励磁控制器、斩波制动控制器和轮边牵引电动机逆变器进行控制；CAN3为辅助控制网络，主控制器对铲运机铲装机构的液压控制器、显示屏、仪表等进行控制；CAN4为数据传输网络，主控制器将其他网络采集的实时数据传输至车载计算机。为了提高每个网络数据传输的抗干扰性和可靠性，在各网络的终端加入120Ω的终端电阻。根据工程经验，CAN总线网络的通信波特率采用250kbit／s可以满足通信需求。为了保证CAN总线通信畅通，总线占用率最好保持在33％～66％。根据位填充技术，数据帧m的最坏总线占用时间Cm为Cm｜ms＝34＋8dm5＋47＋8d（）mτbit＝0．5224（1）式中：dm为数据域字节数，该通信协议下最大为8；τbit为位时间，在250kbit／s波特率下为0．004ms。由于CAN2运行时所产生的数据量最大，为了统一网络协议标准，其他网络的通信周期以CAN2为标准，则CAN2中全部数据帧的最坏总线占用时间之和约为10．5ms。因此，可选取的通信周期为15～30ms。根据主控制器工作周期，本文选取25ms为CAN总线通信周期。由于各个控制器的启动时间不同，尤其是车载计算机的启动时间晚于其他控制器，为了保证车载运行数据的完备性，设计了启动后的握手检验系统。主控制器启动后不断向其他控制器发送握手信号，其他控制器收到握手信号后向总线发送握手反馈信号，主控制器收到全部握手反馈信号后，跳出握手检验系统，开始执行行车控制。

3系统设计

3．1车载客户端子系统

车载客户端子系统将CAN总线传来的实时数据简单处理后进行本地存储，通过无线通信网络与调度中心数据服务器进行远程数据交互；同时解析操作台的控制指令，通过CAN总线将控制指令发送到主控制器。车载客户端子系统软件流程如图3所示。

3．2远程服务器子系统

远程服务器子系统主要由2个部分构成，第1部分的作用是接收车载客户端子系统发送的数据并进行解析，将驾驶员所要了解的车辆信息（如车速、发动机转速、档位状态等）显示出来，并将解析后的数据存入调度中心的数据库；第2部分的作用是响应操作台控制器采集到的控制指令（手柄、踏板等）。

3．3数据通信校验

为防止网络不稳定导致数据错误，在客户端与服务器的通信中加入校验信息。当车载实时数据解析并封装成数据包准备发送时，待发送数据包就是一个包含有用数据的数组。对数组中的值进行循环冗余校验（CRC），得出CRC值，再将CRC值附到数据包后进行发送。服务器收到数据后提取出CRC值，并对数据包中的内容进行校验，再将得出的值与收到的CRC值进行比对。若两值相等，则说明数据可信，该包数据会被系统解析，并存储及显示；若两值不相等，则说明数据传输有误，直接舍弃该包数据并等待下一包数据。客户端数据校验原理类似。客户端和服务器数据包结构如图5所示。客户端和服务器发送的数据包分别以相应的起始标志符开始，随后依次为数据发送时间、数据长度、数据区和校验区，最后以终止标志符结束。各区域间用“；”分隔，数据区各数据之间用“，”分隔。

4结语

电传动地下铲运机远程数据传输系统采用分布式CAN总线结构，利用TCP／IP异步传输原理实现了实时数据远程传输功能。分布式CAN总线结构具有很高的可靠性，可以有效采集实车运行数据，利用TCP／IP异步传输原理进行数据远程通信具有可行性。

参考文献：

［1］战凯，顾洪枢，周俊武，等．地下遥控铲运机遥控技术和精确定位技术研究［J］．有色金属，2009，61（1）：107－112．

［2］高梦熊．国内外地下金属矿山采矿车辆的现在与未来［C］／／中国矿业科技大会论文集，苏州，2010：43－64．

［3］杨超，刘立，陈树新，等．基于CAN总线的地下铲运机遥控系统的研究［J］．矿山机械，2011，39（3）：30－32．

［4］钟恒．多轮电传动车辆控制方法的研究［D］．北京：北京科技大学，2012．

［5］徐小东．基于socket技术的数据交换平台的设计与实现［D］．上海：上海交通大学，2006．

［6］张允刚，刘常春，刘伟，等．基于Socket和多线程的远程监控系统［J］．控制工程，2006，13（2）：175－177．

作者:张虓 罗维东 单位:北京科技大学机械工程学院