CN112647992B - 一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法 - Google Patents
一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，包括以下步骤：S1：从站检测到和主站的通讯发生故障，当出现问题时，从站超过预定时间收不到主站通讯事件信息后，从站控制器即会侦测到异常；S2：连接不上主站的从站启动异常处理控制流程，根据原通讯系统的时间同步机制，在发生故障时，和主站失去联系的所有从站同时启动异常处理控制流程；S3：连接不上主站的从站进过预设的算法，设定其中一个从站作为临时主站，临时主站建立临时通讯系统；S4：临时主站发出报警信息。
Description
技术领域
本发明涉及矿山物联网领域，尤其是涉及一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法。
背景技术
目前基于EtherCAT实时总线协议的液压支架电液控制系统都必须采用主从结构，系统中需要至少配置一台主站用于发起通信和通信链路维护。支架控制系统的核心部件是大量的液压支架控制器，每一个支架控制器都是作为从站，所有的从站通过通信电缆按照线性结构排列成长达数百米的一行。由于现场工况极其复杂，通信线路中断或某一从站故障极为常见，一旦出现这种情况，整个系统就会进入停滞状态，严重影响生产作业，给客户造成巨大损失。
为应对这种系统通信故障导致的系统瘫痪，一般采用增加冗余通信总线或增加冗余主站的方式予以应对和解决。由于综采工作面施工条件受限，通信线缆和主站成本高昂，后期数据的处理繁琐易错等，采用总线冗余和主站冗余的方式都存在很大的局限性。冗余总线的方式无法解决从站故障带来的系统通信中断问题，冗余主站无法解决系统中存在多个通信断点的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，用于解决现有基于EtherCAT实时总线协议的液压支架电液控制系统出现通信故障，进而导致系统瘫痪的问题，其技术方案如下所述：
一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，包括以下步骤：
S1：从站检测到和主站的通讯发生故障，当出现问题时，从站超过预定时间收不到主站通讯事件信息后，从站控制器即会侦测到异常；
S2：连接不上主站的从站启动异常处理控制流程，根据原通讯系统的时间同步机制，在发生故障时，和主站失去联系的所有从站同时启动异常处理控制流程；
S3：连接不上主站的从站进过预设的算法，设定其中一个从站作为临时主站，临时主站建立临时通讯系统；
S4：临时主站发出报警信息。
进一步的，步骤S1中，从站设置有与控制器相连接的控制通讯模块，在控制器设置有中断处理机制，所述中断处理机制通过安装在控制器的计时器实现，所述中断处理机制用于监控从站和主站间的通讯事件，每次从站和主站的通信事件发生后该计时器清零，当出现问题时，超过设定时间没有发生通信事件，该计时器溢出，触发中断处理机制进行报警，从站的控制器收到中断处理机制发送的报警信息，则从站的控制器即可判断出现了问题。
进一步的，步骤S2中，和主站失去联系的所有从站同时将各自从站的EtherCAT协议栈停止，不再受EtherCAT协议制约，通信模式改为普通的点对点的以太网通信方式，通过查询存储器中的参数表实现和各自相邻控制器的数据通信和交换。
进一步的，步骤S3中，临时通讯系统的建立包括以下步骤：
S31：所有和主站失联的从站之间按照预设的算法推举并确认出一个从站担任临时主站的角色；
S32：临时主站重新配置底层硬件和主站协议，修改并保存系统参数；其它的从站重新配置底层硬件和从站协议，修改并保存系统参数；
S33：临时主站按照EtherCAT协议要求发起通信，各从站响应通信并实现系统控制。
其中，步骤S31中，所有的从站预设有编号，预设的算法设定为：所有和主站失联的从站之间，设定最远端的从站作为临时主站，最远端的从站编号为N，如果N更改成功，则临时系统立即进入正常工作，如果隔设定时间临时系统依然不能出现通信，则从站N-1自动变换为临时主站，以此类推。
步骤S32中，每个从站都设置有额外的数据存储模块，用于存放多种协议栈以及重要的系统参数，同时可以通过控制器连接的声光电报警模块用于系统异常提示。
进一步的，步骤S4中，在故障解决前，临时通讯系统没有进入原通讯系统时，临时主站始终有设定的报警警示方式提醒操作人员当前的异常工作模式。
所述基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，将EtherCAT的从站和主站功能集成在同一个控制器内，平时缺省的状态是作为从机工作，在系统正常通信模式下，支架控制器运行相应的从机协议和程序；当系统发生通信故障时，和主站失去联系的那一部分从站将自动激活故障确认和从站间的沟通协商机制，推举出合适的从站作为临时主站，被推举的从站的工作模式切换到主站模式，承担发起通讯和控制功能，同时通过声光电等报警方式提醒操作人员，并启动本地的记录功能完成相应的数据存储功能。
本发明使得支架控制器在出现n个通信电缆故障或从站故障时，整个系统自动裂变为n个独立的子系统，每个子系统内部能够最大程度的保持通信畅通和设备控制功能，保证现场继续进行安全生产。不再需要额外配备昂贵的冗余通信总线和冗余主站，减轻了现场安装调试和维护的难度，大大节约了系统的初始和运行成本，提高了系统的灵活性，可用性和安全性。
附图说明
图1是所述基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法基于的系统网络架构图；
图2是所述图1的前半部分放大示意图；
图3是所述图1的后半部分放大示意图；
图4是所述基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法的流程示意图；
图5是所述基于EtherCAT的液压支架电液控制器的示意图。
具体实施方式
如图1到图3所示，所述基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法基于的系统网络架构图中，包括端头计算机、主控制器和支架控制器，所述端头计算机与主控制器相连接，其作用一是收集系统状态，各支架控制器工作状态以及传感器数据等，二是发送远程控制命令或更新参数、更新程序等。所述主控制器和多个支架控制器通过EtherCAT总线相连接，支架控制器之间是依次连接。每两组不同电源供电的支架控制器之间设置一个隔离耦合器，在支架控制器之间设置的隔离耦合器，所述隔离耦合器与防爆电源箱相连接，防爆电源箱内安装有电源模块。
对于上述的系统，主控制器和支架控制器分别对应主站和从站，常见的故障主要有两种，第一种是EtherCAT总线发生线缆故障，第二种是系统中某一从站失能。
对于第一种情况，这是最常见的情况，相邻的从站之间的通信电缆出现松动和芯线断裂情况，这种情况下主站只能联系到断裂之前的从站，后面的从站失去主站的协调后就全部失去功能。
对于第一种情况，这种情况产生的原因更为复杂，但是最终呈现的效果都是系统断为两部分。此时，和主站相连的部分能够正常工作，断裂或失能部分以后的从站全部失去控制。
对于有很多从站节点(如200个)，很多电缆(如200根)的系统来说，在复杂的生产现场这种情况的发生是非常频繁的。
如图4所示，所述基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，包括以下步骤：
S1：从站检测到和主站的通讯发生故障：当出现问题时，从站超过预定时间收不到主站通讯事件信息后，从站控制器即会侦测到异常。
从站设置有与控制器相连接的控制通讯模块，在控制器设置有中断处理机制，所述中断处理机制通过安装在控制器的计时器实现，所述中断处理机制用于监控从站和主站间的通讯事件，所述正常情况下从站会不停接受到主站的通讯事件信息，每次从站和主站的通信事件发生后该计时器清零，当出现问题时，超过一定时间没有发生通信事件该计时器溢出，触发中断处理机制进行报警，从站的控制器收到中断处理机制发送的报警信息，则从站的控制器即可判断出现了问题。进一步的，每个从站都会有上述中断处理机制的通信监控。
进一步的，控制器芯片内置有多个定时器，通过程序可选择其中一个用于监测通信事件。
S2：连接不上主站的从站启动异常处理控制流程：原通讯系统在故障前是有时间同步机制的，因此所有系统中和主站失去联系的从站都几乎同时触发这一中断，所有的从站的控制器都会开始响应该中断，启动异常处理控制流程。
每个从站都会将工作面系统全局参数从数据存储器读出，同时将各自从站的EtherCAT协议栈停止，不再受EtherCAT协议制约，通信模式改为普通的点对点的以太网通信方式，通过查询本地存储器内的参数表实现和各自相邻控制器的数据通信和交换。
S3：所有连接不上主站且能互相通信的从站，设定临时主站，建立临时通讯系统：通过预先设定的方式，其中一个从站会自动将底层的配置和协议栈更改为主站模式，重新发起通信和链接，让断裂后的这部分从站重新工作起来。这个过程涉及到故障侦测，沟通协调，系统配置数据芯片的擦除和重新烧写，协议栈的重新调整和系统参数重置等一系列复杂操作，都是在从站的控制器的控制下自动完成，这时临时通讯系统和原通讯系统已经是两个相对独立的系统，从断裂处一分为二。
具体包括以下步骤：
S31：所有和主站失联的从站之间按照预设的算法推举并确认出一个从站担任临时主站的角色；
预设的算法方面，如下举例：由于每个从站都有一个编号，当系统出现问题后首先由最远端的从站转换角色，假如最远端的从站编号为N，如果N更改成功，则系统立即进入正常工作。如果隔设定时间系统依然不能出现通信，则从站N-1则自动变换，以此类推。
S32：临时主站重新配置底层硬件和主站协议，修改并保存系统参数；其它的从站重新配置底层硬件和从站协议，修改并保存系统参数；
每个从站都设置有额外的数据存储模块，用于存放多种协议栈以及重要的系统参数，同时可以通过控制器连接的声光电报警模块用于系统异常提示。
S33：临时主站按照EtherCAT协议要求发起通信，各从站响应通信并实现系统控制。
S4：临时主站发出报警信息。
从确认异常发生到完成系统重新配置，报警的方式可以设置成不同模式，系统配置完成后进入到类似“安全模式”状态下工作，临时主站和各从站都需要记录下重要参数以备系统恢复后查询读取；在系统恢复正常前始终有设定的报警警示方式提醒操作人员当前的异常工作模式。
临时通讯系统会坚持工作到检修，然后根据故障提示更换电缆或更换故障从站，和原通讯系统重新成为一个完整通讯系统。
支架控制器硬件方面将通信物理层和链路层设计为能满足主站和从站通信要求，并配置声光电报警模块和数据存储模块。在软件上内置EtherCAT主站和从站两套通信协议，主控程序增加异常通信监控功能、从站间沟通协商功能，系统通信异常报警功能，系统异常状态记录功能，主站和从站协议转换功能等。
如图5所示，所述主站和从站的控制器都是相同的，所述控制器包括单片机主控模块，所述单片机主控模块分别连接有供电模块、显示模块、声光报警模块、键盘矩阵模块、急停闭锁模块、RS-485通信模块、CAN总线通讯模块、无线通信模块、传感器组采集模块、数据存储模块。
以下是各模块的功能描述：
单片机主控模块主要是运行控制程序，完成数据处理和交互等；
供电模块是完成电源的转换，为各个功能模块提供符合要求的电源；
显示模块用于状态显示，参数显示和查询以及异常告警显示等；
声光报警模块主要用于操作和动作提醒，异常状态报警等；
键盘矩阵模块按键输入功能，通过按键发出操作指令，查询状态和参数，以及设置参数等；
急停闭锁模块用于检修或紧急状态下实现本架闭锁和全工作面急停。
RS-485通信模块、CAN总线通讯模块、无线通信模块是一般的支架控制器都会具有的总线，是用于连接驱动器或无线通信等。这三个可以合并为“通信控制模块”。这三个模块是一般的支架控制器都会具有的总线，是用于连接驱动器或无线通信等。RS-485通信模块实现支架间的数据通信和数据交换，CAN总线通讯模块、无线通信模块实现支架控制器和周边功能部件之间的通信和控制功能。
传感器组采集模块实现压力、行程、红外、位姿等多种传感器的数据采集和处理。
数据存储模块用于保存和运行控制器的代码，记录异常发生时的重要数据。包括SRAM、DDR等掉电易失的存储器，以及Flash、EEPROM等掉电不易失的存储器。
所述单片机主控模块设置有计时器，通过计时器是否溢出判断是否发生中断。
所述工业以太网控制通讯模块连接有工业以太网总线的RJ45，其与单片机主控模块相连接。
对所述单片机主控模块来说，工业以太网EtherCAT协议的从站实现方案一般有三种形式，一是基于单一嵌入式SoC系统解决方案，如TI公司的AMIC110，其内部集成有高性能处理器以及专门用于EtherCAT协议的协处理器；二是采用单片机+ASIC的方式，如STM32F407+LN9252或是采用单片机+ET1100；还有一种是采用单片机+FPGA的方式。
本系统中，EtherCAT主站的物理层符合以太网的规范，没有其它特殊要求，而从站的物理层一般需要硬件支持，但是依然符合以太网的规范。
本发明在采用单一环路上，实现了故障发生时，设立临时通讯系统，使得数据仍可被收集，而且全部过程都是自动完成的，不需要人为配置或指定。
采用以上机制后可以适应通信线缆故障或从站本身异常故障，可以适应多个故障同时发生，比如两个不同的故障点导致系统自适应分为3个子系统相对独立运行，但是因为重要的系统参数是一致的，各子系统的数据和控制方式不需要做出重大改变。
本发明相比于增加一个备份主站或是增加一条备用通信总线的方式，系统的自适应性更强，成本更低，现场实施可行性更高。
Claims (7)
1.一种基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，包括以下步骤：
S1：从站检测到和主站的通讯发生故障，当出现问题时，从站超过预定时间收不到主站通讯事件信息后，从站控制器即会侦测到异常；
S2：连接不上主站的从站启动异常处理控制流程，根据原通讯系统的时间同步机制，在发生故障时，和主站失去联系的所有从站同时启动异常处理控制流程；
S3：连接不上主站的从站经过预设的算法，设定其中一个从站作为临时主站，临时主站建立临时通讯系统；
S4：临时主站发出报警信息。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S1中，从站设置有与控制器相连接的控制通讯模块，在控制器设置有中断处理机制，所述中断处理机制通过安装在控制器上的计时器实现，所述中断处理机制用于监控从站和主站间的通讯事件，每次从站和主站的通讯事件发生后该计时器清零，当出现问题时，超过设定时间没有发生通讯事件，该计时器溢出，触发中断处理机制进行报警，从站的控制器收到中断处理机制发送的报警信息，则从站的控制器即可判断出现了问题。
3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S2中，和主站失去联系的所有从站同时将各自从站的EtherCAT协议栈停止，不再受EtherCAT协议制约，通信模式改为普通的点对点的以太网通信方式，通过查询存储器中的参数表实现和各自相邻控制器的数据通信和交换。
4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S3中，临时通讯系统的建立包括以下步骤：
S31：所有和主站失联的从站之间按照预设的算法推举并确认出一个从站担任临时主站的角色；
S32：临时主站重新配置底层硬件和主站协议，修改并保存系统参数；其它的从站重新配置底层硬件和从站协议，修改并保存系统参数；
S33：临时主站按照EtherCAT协议要求发起通信，各从站响应通信并实现系统控制。
5.根据权利要求4所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S31中，所有的从站预设有编号，预设的算法设定为：所有和主站失联的从站之间，设定最远端的从站作为临时主站，最远端的从站编号为N，如果N更改成功，则临时通讯系统立即进入正常工作，如果隔设定时间临时通讯系统依然不能出现通信，则从站N-1自动变换为临时主站，以此类推。
6.根据权利要求4所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S32中，每个从站都设置有额外的数据存储模块，用于存放多种协议栈以及重要的系统参数，同时能够通过控制器连接的声光电报警模块用于系统异常提示。
7.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线的液压支架电液控制方法，其特征在于：步骤S4中，在故障解决前，临时通讯系统没有进入原通讯系统时，临时主站始终有设定的报警警示方式提醒操作人员当前的异常工作模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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