CAN總線在石油修井機上的應用

張 斌，殷佳琳，田 程，馬太清

（1.四川工程職業(yè)技術學院 電氣信息工程系，德陽 618000；2.寶石機械成都裝備制造分公司，成都 610051）

0 引言

石油修井機是由一臺或兩臺動力機驅(qū)動絞車和轉(zhuǎn)盤，絞車用動力機、絞車、井架等均安裝在汽車載重底盤、專用底盤或牽引式底盤上的石油修井裝置[1]。

在油田上廣泛使用卡特彼勒發(fā)動機或康明斯發(fā)動機作動力機，使用艾里遜傳動箱或國產(chǎn)的凱星傳動箱進行動力傳遞。在汽車行走時，發(fā)動機的動力經(jīng)過傳動箱傳送到底盤，驅(qū)動車輛行走；在修井機作業(yè)時，通過切換裝置，發(fā)動機的動力經(jīng)過傳動箱傳送到作業(yè)臺上，可以進行立井架、驅(qū)動絞車或轉(zhuǎn)盤等修井作業(yè)。在駕駛室、井口作業(yè)平臺都需要對發(fā)動機油門位置、傳動箱的換檔進行操作；傳動箱的工況也要與發(fā)動機的工況進行匹配。整個控制系統(tǒng)如果用傳統(tǒng)的方式進行控制，傳遞各種命令和交換信息，會在汽車底盤和工作臺上布置很多控制線纜。在油田井場及車輛行駛過程中工作條件惡劣，可能會使各種命令及信息交換的可靠性降低。

用總線進行數(shù)據(jù)的傳遞可以減少布線，并且能提高系統(tǒng)的可靠性，CAN總線是汽車上廣泛使用的一種總線?？ㄌ乇死瞻l(fā)動機的控制器和艾里遜傳動箱控制器均是具有CAN總線功能。組建一個CAN總線網(wǎng)絡，不僅可以減少整個控制系統(tǒng)的布線工作，而且能提高信息交換的可靠性，保障整個控制系統(tǒng)的可靠工作。

1 CAN 總線簡介

新型的串行現(xiàn)場總線—控制器局域網(wǎng)，目前廣泛應用于汽車控制與通信系統(tǒng)，同時也在其他工業(yè)領域得到廣泛應用[2]。

CAN總線技術針對不同的功能和應用，有多種汽車網(wǎng)絡標準，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類。A類是面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸位速率小于10kbps，如電動窗、燈光等控制；B類是面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡，位速率一般在10-125kbps，主要用于車身電子舒適模塊、儀表顯示等；C類是面向高速、實時控制的多路傳輸網(wǎng)，位速率在125kbps-1Mbps，主要用于發(fā)動機、變速箱等動力、傳動系統(tǒng)。

SAE J1939是一類專門用于卡車、大客車、建筑機械、農(nóng)業(yè)機械等的CAN總線通信協(xié)議，波特率可達250kbps，是一種傳輸速率較高的C類通信網(wǎng)絡協(xié)議。它以CAN 2.0B為基礎，定義了網(wǎng)絡層和應用層的協(xié)議，SAE J1939的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SAE J1939分層結(jié)構(gòu)與OSI七層模型

2 CAN 總線在修井機上的具體應用

2.1 系統(tǒng)總線拓撲結(jié)構(gòu)

在油田的修井機上選用具有CAN總線控制功能的卡特發(fā)動機（或康明斯發(fā)動機）和艾里遜傳動箱，發(fā)動機的控制器與傳動箱的控制器通過CAN總線互相傳遞信息，在發(fā)動機控制臺和駕駛室安裝有監(jiān)控發(fā)動機轉(zhuǎn)速的帶CAN總線功能的儀表，整個系統(tǒng)的總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖2[3]所示。

圖2 修井機CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)圖

CAN總線使用屏蔽雙絞線，屏蔽層直接與汽車底盤的電瓶的負端連接。在總線的主干兩端需要連接120歐姆的終端電阻。

2.2 連接器[3]

有兩類連接器，九芯的連接器用于診斷接口，三芯的連接器用于控制器、終端電阻等，如圖3所示。

圖3 艾里遜CAN總線連接器

表1 艾里遜三芯連接器引腳定義

表2 九芯連接器引腳定義

正常狀態(tài)下，當CAN-H和CAN-L均為2.5V左右，表示邏輯1，稱為隱性，當CAN-H=3.5V CAN-L=1.5V時，稱為顯性，表示邏輯0。

2.3 傳遞的主要數(shù)據(jù)信息[3]

艾里遜傳動箱的控制器（Commercial Electronic Control 2,CEC2）與發(fā)動機、儀表之間主要進行一些廣播信息和接收數(shù)據(jù)。

CEC2廣播有以下參數(shù)群：PGN00000(轉(zhuǎn)矩/速度控制1,TSC1)、PGN59904 (請求)、PGN61440(電子減速器控制器1,ERC1)、PGN61442(電子傳動箱控制器1,ETC1)、PGN61445(電子變速控制器#2,ETC2)、PGN65098(電子變速控制器#7,ETC7）、PGN65272(變速器油液)等。包含變速器控制模式、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、換檔情況、機油溫度等信息。

CEC2接收的數(shù)據(jù)有以下的參數(shù)群：PGN60160（傳輸協(xié)議-數(shù)據(jù)傳送，TP.DT）、PGN60416（傳輸協(xié)議-連接管理，TP-CM）、PGN61441（電子制動控制器1，EBC1）、PGN61443（電子發(fā)動機控制器2，EEC2）、PGN61444（電子發(fā)動機控制器1，EEC1）、PGN65262（發(fā)動機溫度）等。包含發(fā)動機控制方式、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油門位置、溫度等信息。

2.4 系統(tǒng)工作控制過程

在駕駛室內(nèi)安裝一只選擇開關，可以選擇駕駛室操作還是修井機作業(yè)平臺操作；有操作機構(gòu)將傳動箱的輸出切換到臺下行車或臺上進行修井作業(yè)。在駕駛室和作業(yè)平臺上均裝有換檔開關和油門操作機構(gòu)。

1）駕駛室的操作

將駕駛室內(nèi)的選擇開關置于“臺下”位置，該信號送進傳動箱的控制電腦，并將傳動箱的輸出轉(zhuǎn)換到臺下。駕駛室行車可實現(xiàn)自動換檔。

駕駛室的換檔開關有倒檔“R”、空檔“N”、前進檔“D”三個選擇，在換檔開關上可以設置前進檔換檔的范圍（1-6）。檔位選擇信息送進傳動箱的控制電腦。

在起動發(fā)動機時，將換檔開關置于空檔“N”，該信息送進傳動箱控制電腦，再通過CAN總線傳輸?shù)桨l(fā)動機控制電腦，如果換檔開關未置于空檔，發(fā)動機不能起動。

需要車輛前進時，換檔開關選擇前進檔“D”，此時換檔開關的顯示器會顯示數(shù)字“6”，表示車輛在1、2、3、4、5、6檔可以自動切換；可以調(diào)節(jié)顯示器上的數(shù)字，改變車輛前進中可以自動換檔的范圍，比如將顯示器的數(shù)字設置為3，表示在行駛過程中，可以在1、2、3檔進行換檔。發(fā)動機的控制電腦將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及油門位置信號通過CAN總線傳送給傳動箱的控制電腦，踩下油門踏板，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1900r/min時，傳動箱控制電腦會控制換檔電磁閥組，檔位由1檔變?yōu)?檔，如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速一直保持在該轉(zhuǎn)速以上，則傳動箱會升到設定的最高檔。當松開油門踏板，發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動降下來，檔位也依次可以降下來。

倒車時，將換檔開關置于倒檔“R”，傳動箱控制電腦會控制換檔電磁閥組，使傳動箱處于倒檔工作狀態(tài)。

整個工作過程中，發(fā)動機與傳動箱控制電腦間的信號傳遞如圖4所示。

圖4 發(fā)動機與傳動箱控制信號傳遞示意圖

2）作業(yè)平臺的操作

當修井機在井場就位后進行修井作業(yè)時，需要在作業(yè)平臺進行操作。首先將駕駛室內(nèi)的切換開關置于“臺上”位置，并將傳動箱的輸出切換到臺上。在作業(yè)平臺只能實現(xiàn)手動換檔。

2.5 實際應用中遇到的問題

該CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)廣泛應用在中國石油川慶鉆探工程有限公司的各修井隊的修井機上。這些修井機配置艾里遜傳動箱與卡特發(fā)動機。在使用中曾經(jīng)遇到以下的問題。

1）在行車過程中只有一個檔位，不能進行換檔

一臺XJ120修井機在前往平樂12井的途中，駕駛員反映行車只有一個檔位。在修井機到達井場就位以后，我們進行了檢測。在作業(yè)平臺上可以進行正常的換檔，說明換檔電磁閥組及液壓回路工作正常，但在臺下駕駛室進行操作時，傳動箱不能換檔，只有一個檔位。駕駛室的換檔是靠發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到一定值后自動進行升檔，懷疑發(fā)動機轉(zhuǎn)速未達到換檔點的轉(zhuǎn)速。通過CAN網(wǎng)絡的診斷接口，連接到PC機，在診斷軟件上觀測傳動箱的工作情況，在平臺上操作能進行手動換檔，各傳感器信號正常，在駕駛室進行換檔操作時，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2000r/min，但檔位并沒有升高，一般情況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到1900r/min時就可升檔，檢查外圍電路及CAN總線網(wǎng)絡，均未發(fā)現(xiàn)問題，懷疑是換檔點的發(fā)動機轉(zhuǎn)速設置過高。調(diào)整油門位置，發(fā)現(xiàn)當轉(zhuǎn)速達到2100r/min時，可以進行換檔。

該修井機配置的是C9卡特發(fā)動機和艾里遜6000系列的傳動箱。經(jīng)向艾里遜公司咨詢，6000系列的傳動箱應用在工程設備上，自動換檔時發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般設置在2000r/min左右，它不同于應用在公路運輸?shù)?000/4000系列的艾里遜傳動箱，自動換檔時發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般設置在1600r/min左右。在修井機的行車途中，駕駛員一般不會把發(fā)動機的速度加到2000r/min,特別是在山路上行駛時，所以駕駛員經(jīng)常會反映行車時只有一個檔位。

經(jīng)與艾里遜公司協(xié)商，通過CAN網(wǎng)絡接口，將自動換檔時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速設置為1900r/min。

2）在行車過程中，只能在1、2檔切換，不能升到更高檔位

一臺XJ120修井機在前往蓮花000-1井的途中，發(fā)現(xiàn)行車只有兩個低速檔，不能換到更高的檔位。經(jīng)檢查，在作業(yè)平臺能進行正常的換檔，說明電磁閥組及液壓回路工作正常。通過CAN網(wǎng)絡診斷接口，連上PC機進行檢測，顯示駕駛室換檔器有故障，將臺上的換檔開關換到駕駛室，發(fā)現(xiàn)故障依然存在。檢查換檔開關到傳動箱控制電腦之間的線束，發(fā)現(xiàn)一根信號線引腳脫焊。將該信號線引腳焊接好，故障排除。

3 結(jié)束語

在修井機上利用CAN總線交換信息，該網(wǎng)絡系統(tǒng)也可應用到配置有艾里遜傳動箱和卡特發(fā)動機的車載鉆機及大型的公交車上，減少車輛的布線，提高系統(tǒng)的可靠性。

[1] 中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準[S], SY/T5202-2004 石油修井機.

[2] 羅峰, 孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設計與應用[M].電子工業(yè)出版社, 2010.

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