CAN总线在石油修井机上的应用

张 斌，殷佳琳，田 程，马太清

（1.四川工程职业技术学院 电气信息工程系，德阳 618000；2.宝石机械成都装备制造分公司，成都 610051）

0 引言

石油修井机是由一台或两台动力机驱动绞车和转盘，绞车用动力机、绞车、井架等均安装在汽车载重底盘、专用底盘或牵引式底盘上的石油修井装置[1]。

在油田上广泛使用卡特彼勒发动机或康明斯发动机作动力机，使用艾里逊传动箱或国产的凯星传动箱进行动力传递。在汽车行走时，发动机的动力经过传动箱传送到底盘，驱动车辆行走；在修井机作业时，通过切换装置，发动机的动力经过传动箱传送到作业台上，可以进行立井架、驱动绞车或转盘等修井作业。在驾驶室、井口作业平台都需要对发动机油门位置、传动箱的换档进行操作；传动箱的工况也要与发动机的工况进行匹配。整个控制系统如果用传统的方式进行控制，传递各种命令和交换信息，会在汽车底盘和工作台上布置很多控制线缆。在油田井场及车辆行驶过程中工作条件恶劣，可能会使各种命令及信息交换的可靠性降低。

用总线进行数据的传递可以减少布线，并且能提高系统的可靠性，CAN总线是汽车上广泛使用的一种总线。卡特彼勒发动机的控制器和艾里逊传动箱控制器均是具有CAN总线功能。组建一个CAN总线网络，不仅可以减少整个控制系统的布线工作，而且能提高信息交换的可靠性，保障整个控制系统的可靠工作。

1 CAN 总线简介

新型的串行现场总线—控制器局域网，目前广泛应用于汽车控制与通信系统，同时也在其他工业领域得到广泛应用[2]。

CAN总线技术针对不同的功能和应用，有多种汽车网络标准，美国汽车工程师协会（SAE）将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。A类是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率小于10kbps，如电动窗、灯光等控制；B类是面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般在10-125kbps，主要用于车身电子舒适模块、仪表显示等；C类是面向高速、实时控制的多路传输网，位速率在125kbps-1Mbps，主要用于发动机、变速箱等动力、传动系统。

SAE J1939是一类专门用于卡车、大客车、建筑机械、农业机械等的CAN总线通信协议，波特率可达250kbps，是一种传输速率较高的C类通信网络协议。它以CAN 2.0B为基础，定义了网络层和应用层的协议，SAE J1939的分层结构如图1所示。

图1 SAE J1939分层结构与OSI七层模型

2 CAN 总线在修井机上的具体应用

2.1 系统总线拓扑结构

在油田的修井机上选用具有CAN总线控制功能的卡特发动机（或康明斯发动机）和艾里逊传动箱，发动机的控制器与传动箱的控制器通过CAN总线互相传递信息，在发动机控制台和驾驶室安装有监控发动机转速的带CAN总线功能的仪表，整个系统的总线拓扑结构如图2[3]所示。

图2 修井机CAN总线拓扑结构图

CAN总线使用屏蔽双绞线，屏蔽层直接与汽车底盘的电瓶的负端连接。在总线的主干两端需要连接120欧姆的终端电阻。

2.2 连接器[3]

有两类连接器，九芯的连接器用于诊断接口，三芯的连接器用于控制器、终端电阻等，如图3所示。

图3 艾里逊CAN总线连接器

表1 艾里逊三芯连接器引脚定义

表2 九芯连接器引脚定义

正常状态下，当CAN-H和CAN-L均为2.5V左右，表示逻辑1，称为隐性，当CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V时，称为显性，表示逻辑0。

2.3 传递的主要数据信息[3]

艾里逊传动箱的控制器（Commercial Electronic Control 2,CEC2）与发动机、仪表之间主要进行一些广播信息和接收数据。

CEC2广播有以下参数群：PGN00000(转矩/速度控制1,TSC1)、PGN59904 (请求)、PGN61440(电子减速器控制器1,ERC1)、PGN61442(电子传动箱控制器1,ETC1)、PGN61445(电子变速控制器#2,ETC2)、PGN65098(电子变速控制器#7,ETC7）、PGN65272(变速器油液)等。包含变速器控制模式、转速、转矩、换档情况、机油温度等信息。

CEC2接收的数据有以下的参数群：PGN60160（传输协议-数据传送，TP.DT）、PGN60416（传输协议-连接管理，TP-CM）、PGN61441（电子制动控制器1，EBC1）、PGN61443（电子发动机控制器2，EEC2）、PGN61444（电子发动机控制器1，EEC1）、PGN65262（发动机温度）等。包含发动机控制方式、转速、转矩、油门位置、温度等信息。

2.4 系统工作控制过程

在驾驶室内安装一只选择开关，可以选择驾驶室操作还是修井机作业平台操作；有操作机构将传动箱的输出切换到台下行车或台上进行修井作业。在驾驶室和作业平台上均装有换档开关和油门操作机构。

1）驾驶室的操作

将驾驶室内的选择开关置于“台下”位置，该信号送进传动箱的控制电脑，并将传动箱的输出转换到台下。驾驶室行车可实现自动换档。

驾驶室的换档开关有倒档“R”、空档“N”、前进档“D”三个选择，在换档开关上可以设置前进档换档的范围（1-6）。档位选择信息送进传动箱的控制电脑。

在起动发动机时，将换档开关置于空档“N”，该信息送进传动箱控制电脑，再通过CAN总线传输到发动机控制电脑，如果换档开关未置于空档，发动机不能起动。

需要车辆前进时，换档开关选择前进档“D”，此时换档开关的显示器会显示数字“6”，表示车辆在1、2、3、4、5、6档可以自动切换；可以调节显示器上的数字，改变车辆前进中可以自动换档的范围，比如将显示器的数字设置为3，表示在行驶过程中，可以在1、2、3档进行换档。发动机的控制电脑将发动机的转速及油门位置信号通过CAN总线传送给传动箱的控制电脑，踩下油门踏板，当发动机转速达到1900r/min时，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，档位由1档变为2档，如果发动机转速一直保持在该转速以上，则传动箱会升到设定的最高档。当松开油门踏板，发动机转速自动降下来，档位也依次可以降下来。

倒车时，将换档开关置于倒档“R”，传动箱控制电脑会控制换档电磁阀组，使传动箱处于倒档工作状态。

整个工作过程中，发动机与传动箱控制电脑间的信号传递如图4所示。

图4 发动机与传动箱控制信号传递示意图

2）作业平台的操作

当修井机在井场就位后进行修井作业时，需要在作业平台进行操作。首先将驾驶室内的切换开关置于“台上”位置，并将传动箱的输出切换到台上。在作业平台只能实现手动换档。

2.5 实际应用中遇到的问题

该CAN总线网络系统广泛应用在中国石油川庆钻探工程有限公司的各修井队的修井机上。这些修井机配置艾里逊传动箱与卡特发动机。在使用中曾经遇到以下的问题。

1）在行车过程中只有一个档位，不能进行换档

一台XJ120修井机在前往平乐12井的途中，驾驶员反映行车只有一个档位。在修井机到达井场就位以后，我们进行了检测。在作业平台上可以进行正常的换档，说明换档电磁阀组及液压回路工作正常，但在台下驾驶室进行操作时，传动箱不能换档，只有一个档位。驾驶室的换档是靠发动机转速达到一定值后自动进行升档，怀疑发动机转速未达到换档点的转速。通过CAN网络的诊断接口，连接到PC机，在诊断软件上观测传动箱的工作情况，在平台上操作能进行手动换档，各传感器信号正常，在驾驶室进行换档操作时，发现发动机转速达到2000r/min，但档位并没有升高，一般情况下发动机转速达到1900r/min时就可升档，检查外围电路及CAN总线网络，均未发现问题，怀疑是换档点的发动机转速设置过高。调整油门位置，发现当转速达到2100r/min时，可以进行换档。

该修井机配置的是C9卡特发动机和艾里逊6000系列的传动箱。经向艾里逊公司咨询，6000系列的传动箱应用在工程设备上，自动换档时发动机转速一般设置在2000r/min左右，它不同于应用在公路运输的3000/4000系列的艾里逊传动箱，自动换档时发动机转速一般设置在1600r/min左右。在修井机的行车途中，驾驶员一般不会把发动机的速度加到2000r/min,特别是在山路上行驶时，所以驾驶员经常会反映行车时只有一个档位。

经与艾里逊公司协商，通过CAN网络接口，将自动换档时发动机的转速设置为1900r/min。

2）在行车过程中，只能在1、2档切换，不能升到更高档位

一台XJ120修井机在前往莲花000-1井的途中，发现行车只有两个低速档，不能换到更高的档位。经检查，在作业平台能进行正常的换档，说明电磁阀组及液压回路工作正常。通过CAN网络诊断接口，连上PC机进行检测，显示驾驶室换档器有故障，将台上的换档开关换到驾驶室，发现故障依然存在。检查换档开关到传动箱控制电脑之间的线束，发现一根信号线引脚脱焊。将该信号线引脚焊接好，故障排除。

3 结束语

在修井机上利用CAN总线交换信息，该网络系统也可应用到配置有艾里逊传动箱和卡特发动机的车载钻机及大型的公交车上，减少车辆的布线，提高系统的可靠性。

[1] 中华人民共和国石油天然气行业标准[S], SY/T5202-2004 石油修井机.

[2] 罗峰, 孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M].电子工业出版社, 2010.

[3] CEC2 SAE J1939 COMMUNICATION, Allison Transmission Datalink Communications, October 2006.