电传动地下铲运机远程数据传输系统研究.pdf

第 4 2卷 第 1 1 期 2 0 1 6年 1 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t o mat i o n V 0 1 ． 4 2 NO ． 1 1 NO V ． 2 O 1 6 ’⋯ 。 经验交流 ．_ ．⋯ ◆ ． ．Ⅲ◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 6 4 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 1 5 张境，罗维东． 电传动地下铲运机远程数据传输系统研究I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 6 4 6 6 ． 电传动地下铲运机远程数据传输系统研究 张烧 ， 罗维 东 北京科 技 大学 机械 工程学 院 ， 北 京1 0 0 0 8 3 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 C AN 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 TC P ／ I P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 C AN 总线 ； T C P ／ I P异 步通信 中图分类 号 TD 6 5 5 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 1 0 2 8 1 6 2 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 9 ． 0 1 5 ． h t ml Re s e a r c h o n r e mo t e d a t a t r a n s mi s s i o n s ys t e m o f u n de r gr o un d e l e c t r i c d r i v e s c r a pe r ZH ANG Xi a o． LU O W e i do n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m t h a t a l a r ge a mou nt o f r e a l t i me d a t a wi l l be ge ne r a t e d du r i ng o pe r a t i o n o f e l e c t r i c d r i ve s y s t e m ，r e mot e d a t a t r a ns mi s s i o n s y s t e m o f un de r g r ou nd e l e c t r i c d r i v e s c r a pe r wa s s t u di e d． Th e s y s t e m u s e s d i s t r i b u t e d CAN b u s t o r e a l i z e i n d u s t r i a l f i e l d d a t a t r a n s mi s s i o n a n d o p e r a t i o n d a t a c o l l e c t i o n o f s c r a pe r ，t a ke s wi r e l e s s c omm u ni c a t i o n n e t wo r k a s t r a n s mi s s i on c h a nn e l ，a d op t s pr i nc i p l e of TCP ／ I P a s y n c h r o n o u s t r a n s mi s s i o n，a n d r e a l i z e s o n b o a r d d a t a r e mo t e t r a n s mi s s i o n b y o n b o a r d c l i e n t s ub s y s t e m a n d s e r v e r s ub s y s t e m ． Ke y wo r ds c o a l m i ni ng； e l e c t r i c d r i v e； s c r a pe r； r e mo t e da t a t r a n s mi s s i o n； d i s t r i bu t e d CAN bus； TCP／ I P a s y n c h r o n o u s c o mmu n i c a t i o n 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 ] 。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问的大量实时数据 交换 。C AN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 j ， 因此 采用 C AN总线实现工业现场数据传输 。 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 9 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项 目 2 0 1 1 AA0 6 0 4 0 8 ； 国家科技 支撑计划项 目 2 0 1 3 B AB 0 2 B 0 7 。 作者简 介 张崦 1 9 8 6 一 ， 男 ， 河北 石 家庄人 ， 博 士研 究 生 ， 主要 研究 方 向 为 电传动 矿用 车 辆行 驶 控制 策 略及 运行 数 据分 析 等 。 E - ma i l z h a ng x i a o mi r a c l e l 2 6 ． c o m。 2 0 1 6年第 l 1 期 张琥 等 电传动 地 下铲运 机远 程数 据传 输 系统研 究 6 5 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 TC P ／ I P协议 作 为通信协议 ， 利用 S o c k e t 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 。 车载计算机 逆变器 、 励磁及制动 控制器 车载 内部网部 医 枣 照 监控及 调度 中心 图 1 系 统 通 信 结 构 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 TC P通信方式 引。 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 ] 。分布 式 C AN总 线结 构如 图 2 所 示 。 电 子 l I 仪表 显示 屏l l 指针 液压 控制器 鬻l l逆 变 器 I J逆 变 器 一 圆 国 区 柴油发动机 l 图 2分 布 式 CAN 总 线 结 构 C AN 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 C AN 网络 拓 扑 ， 采用 主 从 式 通 信 模式 。C AN1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 E l e c t r o n i c C o n t r o l Un i t ，E C U 进 行 通 信 ， 遵 循 S AE j 1 9 3 9协 议 ； c AN2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； C AN3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 ； C AN4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 1 2 0 Q 的终 端 电阻 。 根据工程经验 ， C AN总线网络的通信波特率采 用 2 5 0 k b i t ／ s可以满足通信需求 。为 了保证 C AN 总线 通 信 畅通 ， 总 线 占用 率最 好 保 持 在 3 3 ～ 6 6 。根据 位填 充技 术 ， 数据 帧 m 的最 坏 总线 占用 时间 C 为 c l 一f 4 7 8 d r b it 0 ． 5 2 2 4 、 J ／ 1 式中 d 为数据域字节数， 该通信协议下最 大为 8 ； 。 为 位 时间 ， 在 2 5 0 k b i t ／ s 波特 率 下为 0 ． 0 0 4 ms 。 由于 C A N2 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 C AN2 为标 准 ， 则 C A N2中全部 数 据 帧 的最 坏 总 线 占用 时 问之和约为 1 0 ． 5 ms 。因此 ， 可选取 的通信周期为 1 5 ～ 3 O ms 。根 据 主 控 制 器 工 作 周 期 ， 本 文 选 取 2 5 ms 为 C AN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 C AN 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 C AN 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 ， 墨 6 6 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 重新连接 I 建立客户端 套接字对象 T_ S o c k e t 连接 远 程服 务器 用流读写方法与远程 服务器进行数据通信 结束 a 第 1部分 b 第 2部分 图 3 车载客户端子系统软件流程 并 向车载客户端子系统发送控制指令 。远程服务器 子系统软件流程如图 4所示。 - ； E3 建立服务器套接字 监听客户端连接请 求 芝 竺 藏 ’ Y 一 一 ． N 匝 圃 车 臣壶 a 第 1部分 串口通信初始化 监听操作台 控制器控制指令 解析控制命令 生成命令数据包 二 [ 用流读写方法 发送到客户端 丁一 b 第 2部分 图 4 远程 服务 器子系统 软件 流程 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。当车载实时数据被 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 C R C ， 得 出 C R C值 ， 再将 C RC值附到 数据包 后进 行发 送 。 服务器收到数据后提取出 C R C值 ， 并对数据包 中的内容进行校验 ， 再将得 出的值与收到的 C R C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 。 婿 志 I 琚 芨 透 町 0 l 摩 毅 据 I 验 l 婿 志 、 l 一 I 一 S T C b Y M M D D h h m m ss 1 X X D A T A C R C E D C a 客户端 b 服 务 器 图 5 数据包结构 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 C AN 总 线 结 构 ， 利 用 TC P ／ I P异 步 传 输 原 理 实 现了实时数据远程传输功能 。分布式 C AN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 TC P ／ I P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 ， 2 0 0 9 ， 6 1 1 1 O7 1 1 2． [ 2 ] 高梦熊． 国内外 地下金 属矿 山采 矿车辆 的现在 与未来 E c ／ ／ 中国矿业科技 大会论文集 ， 苏州 ， 2 0 1 0 4 3 6 4 ． [ 3 ] 杨超 ， 刘立 ， 陈树新 ， 等． 基 于 C AN总 线的地下 铲运机 遥控系统的研究[ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 3 3 0 3 2 ． [ 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 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 徐小东． 基于 s o c k e t 技术的数 据交换平 台 的设 计与实 现E D ] ． 上海 上 海交 通大学 ， 2 0 0 6 ． E 6 ] 张允 刚 ， 刘 常春 ， 刘 伟 ， 等． 基 于 S o c k e t 和多 线程 的远 程监 控系统E J ] ． 控制工程 ， 2 0 0 6 ， 1 3 2 1 7 5 1 7 7 ．