基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用

基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用

刘雨郭玉钊

河南卫华特种车辆有限公司河南新乡453400

摘要：近年来，基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。针对以传统PLC为核心的煤矿掘进机电控系统存在防护等级低、环境适应性差等问题，采用基于CANopen通信协议的工程机械专用控制器，将InterControl控制器应用于掘进机电控系统。重点介绍该系统的CANopen网络结构、组网过程、主要功能和控制器程序的设计方法。该控制器在煤矿掘进机应用近两年，情况良好。

关键词：CANopen通信协议；工程机械控制器；掘进机；应用

1前言

煤矿掘进工作面环境恶劣，存在潮湿多水、环境温度波动范围大、煤尘或粉尘浓度大、机身振动强烈等不利条件。在掘进机工作面维护电气设备时操作空间狭小，现场存在淋水或扬尘的可能，而且矿上一般都有严禁带电开盖检修设备的安全要求，因此，掘进机电控系统最好具有可靠性高、维护方便和防护等级高等特点。基于传统PLC的电控系统存在防护等级低、环境适应性差等缺点，已不能适应掘进工作面的要求。由于挖掘机等工程机械经常需要在户外恶劣环境下作业，德国InterControl公司的DigsyCompact系列控制器集成了控制功能、数据存储和CANopen协议于一体，工程机械用控制器更适应掘进机的现场工况。本文详细介绍基于CANopen协议的工程机械专用控制器在掘进机电控系统中的应用。

2CANopen通信协议和InterControl控制器简介

2.1CANopen通信协议

对象字典是CANopen协议最为核心的概念，它包含了描述这个设备及其网络行为的所有参数，并用EDS(电子数据文档)来记录这些参数。CANopen网络中的每个设备都有一个唯一的对象字典，每个对象采用一个16位的索引和8位的子索引来寻址。CANopen协议定义了4类标准的通信接口来实现通信、网络管理和紧急情况处理等功能，包括NMT(管理报文)、SDO(服务数据对象)、PDO(过程数据对象)、预定义报文或特殊功能对象，其中SDO和PDO是CANopen协议的基本传输机制。主节点通过SDO访问从节点对象字典的任意项参数;PDO用来传输数据长度为8字节以内的实时数据。

2.2控制器硬件资源

本文选用InterControl公司DigsyCompact系列控制器中的DCF-I作为掘进机电控系统的核心，该控制器以高性能的微处理器为核心，其丰富的数据采集、控制和通讯接口简化掘进机电控系统的组织结构，基本不需要扩展输入输出模块或者通讯模块就能实现系统的主要功能。具体硬件资源如下:

1)三个CAN总线接口，其中CPU侧的两个CAN接口同时支持CAN2．0A、CAN2．0B和CANopen协议，I/O侧的CAN接口只支持CAN2．0A和CAN2．0B协议。2)两个ＲS-232接口，分别用于下载程序和串口通讯。3)12路模拟量输入接口、5路模拟量输出接口、8路脉冲计数输入接口和8路PWM输出接口;18路基本的开关量输入接口，如果考虑复用开关量输入接口，最多可达34路开关量输入接口;8路基本的开关量输出接口，如果考虑复用开关量输出接口，最多可达16路开关量输出接口。4)具有实时时钟和64K的掉电存储区，可实现数据的掉电保存和实时查询。

3基于InterControl控制器的掘进机电控系统

以DCF-I控制器为核心的掘进机电控系统采用总线控制结构，与以传统PLC为核心的电控系统相比，具有设计先进、结构简单、功能强大等特点。CANopen网络结构图如图1所示，其控制器通过CANopen总线通讯可实现多电动机、多传感器、多种保护、实时显示、远程遥控以及整机状态监测的协调控制，CANopen通讯网络是控制器在掘进机上成功应用的关键所在。控制器CPU侧的CAN0口作为CANopen通讯接口与电气系统中的操作箱、显示器、遥控接收机、电磁阀控制箱及显示箱组成CANopen总线通讯系统，它以主从方式工作，控制器作为主站通过SDO报文可监控各从站设备，并通过PDO报文与各从站进行数据交互，传输速率统一设置为250kbit/s。CANopen总线两端都加120Ω终端电阻，以减少回波反射。

4CANopen总线系统组网过程分析

4.1控制器厂家提供CANopen通讯的所有接口函数，用户通过编程实现网络通讯参数、心跳报文、PDO通讯参数和PDO映射参数的设置以及数据报文的收发。控制器既是心跳报文的生产者，也是消费者，PDO传输类型为同步周期传输。

4.2操作箱提供标准的ModbusＲTU通讯接口，通过Modbus/CANopen适配器接入CANopen总线系统，并只能作为从站设备。适配器对于Modbus通讯为主站，对于CANopen通讯为从站，适配器的对象字典中规定适配器只是心跳报文的生产者，PDO传输类型为特定事件触发的异步传输方式，其余通讯参数通过自带的配置软件完成配置。

4.3显示器的对象字典中规定显示器既是心跳报文的生产者，也是消费者，内部默认的PDO数量为4组，不能满足实际使用要求。需要通过显示器自带的组网软件完成配置，不使用默认的PDO映射，心跳产生时间为1000ms，生命周期为3。以TxPDO为例，增加的四组PDO从0x1404开始，点击“Properties”，可以设置该PDO的COD-ID和传输类型，传输类型为特定事件触发的异步传输方式。

4.4遥控接收机的对象字典中规定接收机只是心跳报文的生产者，其余通讯参数通过USB/CAN接口完成配置。接收机初次上电会给USB/CAN接口发送唯一的一笔Boot-up信息(700H+站号，00)，通过此信息可看到当前的站号，该接口通过发送SDO命令修改接收机的站号、传输速率和PDO的传输类型。

以当前站号为6为例，通过发送SDO命令修改为4号站，USB/CAN接口发送SDO:COD-ID为606H，数据为2F04200004000000;接收机返回SDO:COD-ID为586H，数据为6004200000000000。PDO传输类型修改为特定事件触发的异步传输方式，需要修改1400-1403和1800-1803共八组通讯参数中PDO的传输方式。以通讯参数1400为例，USB/CAN接口发送SDO:COD-ID为606H，数据为2F001402FF000000;接收机返回SDO:CODID为586H，数据为6000140200000000。

4.5电磁阀控制箱内部安装有CANopen数字量输出模块X3控制开关电磁阀。X3既是心跳报文的生产者，也是消费者，内部默认的PDO为2组Ｒx-PDO，PDO传输类型默认为特定事件触发的异步传输方式。模块的站号和传输速率通过模块上的旋转开关进行设置。X3的其它参数不需要配置，使用模块默认的配置。6)监测系统显示箱的对象字典中规定显示箱只是心跳报文的生产者，PDO传输类型为特定事件触发的异步传输方式，其余通讯参数通过自带的配置软件完成配置。

5结束语

综上所述，加强对基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用的研究分析，对于其良好效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献：

［1］孟泓宇，郭彦敬．EPEC2024控制器在掘进机电控系统中的应用［J］．现代矿业，2014(6):127-128．

［2］杨翔，朱建新，梅勇兵．EPEC控制器在挖掘机总线通讯系统中的应用［J］．工程机械，2007，38(8):1-3．

［3］刘国鹏，贾有生，张波，等．CANopen协议在煤矿采掘设备电控系统中的应用［J］．工矿自动化，2011(9):10-13