一种液压支架电液控制系统通信网络设计

余佳鑫，黄金福，王新军，马鹏宇

（广州日滨科技发展有限公司，广东广州 510660）

0 引言

液压支架电液控制系统是实现煤炭综采工作面高产高效的关键技术设备。系统一般由控制器、电源、隔离器、驱动器等设备组成，其中控制器是整个系统的核心部件，多个控制器通过一定的连接方式进行组网，从而实现对工作面液压支架控制、监测及异常响应等功能[1]。当前国内外从事液压支架电液控制系统研发、制造的厂家和机构众多，在系统通信网络的实现上也各具特色，但这些通信网络大多数是通过RS485、CAN等总线通信实现，或者是在这些总线通信的基础上进行改良[2]。尽管有很多现成的软硬件设计规范来支持这种总线通信网络设计，但这种二次开发应用的针对性不强，难以根据液压支架电液控制系统的特点，从深层次地去进行一些通信准确性和系统可靠性的研究设计。本文从通信网络模型的角度，抛开总线通信这一固有思维，介绍一种应用于液压支架电液控制系统控制器上的，基于OSI模型的“点对点”通信网络设计。

1 通信网络概述

液压支架电液控制系统是一种由多个控制器联网组成的分布式控制系统，控制器数量一般在100～200台之间，每台控制器必须分配有唯一的、按顺序递增或递减的网络号。对于这样的系统，常用的现场总线通信都体现出弊端，如RS485总线，其总线节点最多为32个，超过32个节点时往往需要使用中继器进行二次组网[3-4]；又如CAN总线，要达到理论上的110个节点，首先需要解决总线驱动电路上阻抗匹配这一难题，实际应用时往往需要使用提升器等设备加强驱动和二次组网[5-6]。而且，由于总线式的通信是“一对多”的方式，无法解决自动按顺序分配网络号的问题，通常需要使用类似拨码开关的方式进行手动设置，这在工作环境恶劣的煤矿工作面上显然行不通。

根据液压支架电液控制系统这一特点，本文提出了一种点对点网络通信模型，模型的基本架构如图1所示。模型的基本单元为相邻两个控制器之间的点对点通信，通过多个基本单元的有机串联，通信数据在各个控制器之间互相传递，从而实现系统的互联。

图1 通信模型基本架构

在每个基本单元中，控制器之间点对点通信采用的网络协议参照OSI（开放式系统互联）模型，并在OSI模型的基础上进行剪裁，仅保存物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层，如图2所示。

图2 基本单元网络协议模型

与传统的RS485、CAN等总线通信网络相比，本文提出的点对点通信网络在应用于液压支架电液控制系统时具有以下优点：

（1）全双工通信，控制器之间的连线简单可靠；

（2）不存在阻抗匹配问题，通信速率可达250 kbit/s甚至更高；

（3）简单快捷地实现控制器自动按顺序分配网络号；

图3 物理层设计

（4）完善的通信纠错和数据帧优先级设置机制，平衡通信质量与负荷量。

2 通信网络设计

以下将对通信网络中基本单元网络协议的各个子层进行深入探讨，阐述每一个子层的功能和设计依据。

2.1 物理层

物理层的主要功能是对通信数据中的每一个bit进行电气特性的约定，硬件基础为一种经过改进的UART传输。

物理层硬件电路如图3所示，以基本单元中一路收发为例，在发送控制器端，MCU发出TTL电平的UART信号经过驱动和电压提升，作为发送控制器的输出信号；在接收控制器端，将信号进行调理和整形，还原为TTL电平，最终被接收控制器的MCU识别。

物理层约定收发两端的电气特性如下：

（1）传输数据0时为低电平、数据1时为高电平；

（2）传输线上高电平电压幅值为：

（3）传输线上高电平时电流幅值为：

由此可见，在物理层的设计上，主要通过提高驱动电压、增强驱动电流对通用的UART通信进行改进，从硬件上以最精简的方式保证通信的可靠性。更重要的是，这种改进是具体到每个基本单元的每一路收发信号上的，驱动的效果不会因为收发线路的增加而减弱，即不存在阻抗匹配的问题。在30米内的通信距离内，通信速率可保证在250 kbit/s以上，完全可满足液压支架电液控制系统应用需求。

2.2 数据链路层

数据链路层的主要功能是在物理层的基础上进行可靠的数据传输，即通过一定的差错检测，保证相邻两个控制器间每一次通信的准确性。

控制器之间的通信是以帧为基本单位的，帧的起始、结束和校验的处理在数据链路层中完成。本设计中，数据帧采用定长结构，帧头由同步域标识帧的起始，并将帧的结束域和校验进行合并，如图4所示。

图4 网络协议帧结构

与传统数据链路层不同，在本通信网络协议中，当控制器接收完一帧但确认校验出错时，直接放弃本帧数据，且并不通知发送方重发，而是由发送方在传输层中统一作超时处理。

2.3 网络层

网络层的主要功能是实现数据帧的地址属性，并确定数据帧如何从发送方路由到接收方。

系统在每次上电后，由服务器或顺槽主机发起设置网络号的命令，控制器接收到该命令后，一方面从命令中获取本机网络号数据，另一方面将该数据加1后转发至下一台控制器。在设置网络号命令在工作面所有控制器中传输完一遍后，每台控制器具有唯一的、依次连续递增或递减的网络号。

在网络层进行数据的路由时，并不需要标识具体的目标控制器地址，也不需要寻找并存储最快的数据传输路径，而是在控制器发送数据之前，提前计算好该数据传递至目标控制器的中转次数N，并将N加入数据帧中，接收到该数据的控制器首先进行N-1的操作，结果为零时说明本机即是该数据的目标控制器，非零时则根据数据的方向进行转发。而当某些数据需要以广播的形式传输时，例如某台控制器急停开关按下时需要通知至所有控制器，中转次数N标识为255，其他控制器接收后同时提取数据并转发。

网络层采用的机制可避免复杂的地址匹配流程，以最精简的形式实现可靠、高效的数据传输。

2.4 传输层

传输层的主要功能是根据所传输的数据的重要性进行分级，并以此实现对整个网络的流量控制。

在传输层中，将数据帧定义为命令帧、应答帧和信息帧，建立相应的数据帧缓存空间，并对缓存空间中的每个数据帧都进行帧序列号的标识。命令帧指由系统手动控制、自动控制等控制相关的通信数据帧及异常情况（急停闭锁，设备故障等）触发的通信数据帧，通信网络必须保证这些数据帧都能有效传递到目标控制器。应答帧指对命令帧应答数据帧，在命令帧的点对点传递过程中，无论本机是否为命令的目标控制器，也无论本机是否仍需对命令帧进行转发，首先都要对发出或转发该命令帧的控制器进行应答，而发出某个命令帧的控制器，也只有在接收到与帧序列号相对应的应答帧后，才允许发送下一个命令帧，否则将一直重发当前的命令帧，当某个命令帧重复发送一定次数时，判定为通信故障，并启用相应处理机制。信息帧指数据量大但允许少量丢失，而且能够定时更新的数据，例如控制器中用于顺槽监测的状态数据，信息帧无需等待应答。

根据以上机制，数据帧优先级的排序从高到低依次为应答帧、命令帧、信息帧，而命令帧在发出一定时间内未收到相应的应答帧时，将进行重新发送，这一机制也将数据链路层中帧校验失败的处理一并实现。

根据点对点通信的特点，距离顺槽监控主机越近的控制器，其通信数据负荷量越大，传输层对数据帧的处理类似TCP/UDP协议，既保证重要数据的可靠传输，又最大限度降低数据负荷量。

2.5 应用层

应用层的主要功能是对具体的数据报文进行解析，由用户针对具体的通信功能进行自定义，在此不作详细列举。

2.6 通信处理流程

图5 通信处理流程

网络协议中数据链路层、网络层、传输层的通信处理流程体现在每一次数据收发的流程中，这种流程及其逻辑处理可方便地在MCU中实现，如图5所示。

3 结语

本文首先介绍了液压支架电液控制系统中控制器组网的特点，根据这些特点分析了RS485、CAN等总线在应用于液压支架电液控制系统时的缺陷，并提出一种“点对点”的通信网络设计，详细介绍网络架构、各协议子层的原理和功能，以及相应的通信处理流程。

本文所介绍的通信网络，优点在于绕开了总线形式的思维，将通信网络中功能的实现、可靠性的保障、故障的诊断细化到由两个控制器组成的，基于OSI模型的点对点最小单元之间，再由此延伸至整个液压支架电液控制系统控制器的组网，最终解决了阻抗匹配和按顺序分配网络号两个总线形式的网络难以解决的问题。

本文所设计的网络通信协议已经在液压支架电液控制系统中实现，同时系统已应用于多个综采工作面。

［1］王国法.高端液压支架及先进制造技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2010.

［2］李首滨，韦文术，牛剑峰.液压支架电液控制及工作面自动化技术综述［J］.煤炭科学技术，2007，35（11）：1-5.

［3］李磊，宋建成，田幕琴，等.基于DSP和RS485总线的液压支架电液控制通信系统的设计［J］.煤炭学报，2010，35（4）：701-704.

［4］吕赕，陈辉，张晓娇，等.液压支架电液控制系统通讯网络的设计［J］.煤矿机械，2009，30（10）：146-148.

［5］孙晓健，张东来.CAN总线在液压支架电液控制系统的应用［J］.微计算机信息：嵌入式与SOC，2006，22（6-2）：97-98.

［6］刘国平，邱吉元，李继武.基于双CAN总线的液压支架控制系统的设计［J］.工矿自动化，2009（6）：65-68.