CAN總線技術(shù)在礦用防爆開關(guān)中的應(yīng)用

王晉鳳

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

CAN總線技術(shù)在礦用防爆開關(guān)中的應(yīng)用

王晉鳳

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西省太原市，030024）

針對目前礦用防爆開關(guān)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了將CAN總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于礦用防爆開關(guān)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提高了礦用防爆開關(guān)的保護(hù)和控制水平，簡化了開關(guān)的布線，增強(qiáng)了其運(yùn)行過程的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)操作、監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷能力。

CAN總線 工業(yè)以太網(wǎng) 礦用防爆開關(guān)

傳統(tǒng)的礦用防爆開關(guān)大都采用模擬繼電器電路或可編程控制器控制，這樣的控制模式一般都采用電氣接點(diǎn)來傳遞控制信號，所需的控制線路多而復(fù)雜。由于礦用防爆開關(guān)要求體積盡量小，這就給開關(guān)的布線和日常的維修保養(yǎng)帶來了較大困難。同時，隨著礦井自動化程度不斷的提高，礦井的數(shù)字化建設(shè)也越來越重要，煤礦井下傳統(tǒng)的開關(guān)由于沒有數(shù)字化的通信功能，這給礦井?dāng)?shù)字化升級組網(wǎng)等帶來一定的難度。因此，研究高性能的網(wǎng)絡(luò)化礦用開關(guān)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)價值。本文結(jié)合CAN總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及自動控制技術(shù)設(shè)計(jì)了基于CAN總線技術(shù)的礦用隔爆型開關(guān)控制系統(tǒng)取代當(dāng)前功能單一的電氣開關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分散管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷，大大提高生產(chǎn)管理效益。

本控制系統(tǒng)采用具有TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，開關(guān)內(nèi)部各部件的監(jiān)控則采用CAN總線與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1 CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之RS－485線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制、可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信以及內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊等特點(diǎn)。

CAN總線是已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，也是最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線具有傳輸實(shí)時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低、檢錯能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN－bus上可以形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制在檢測到發(fā)送的信息遭到破壞后自動重發(fā)，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能。

2 礦用防爆開關(guān)的現(xiàn)狀

目前我國煤礦井下的防爆開關(guān)應(yīng)用非常廣泛，額定電流從幾十安到幾百安，電壓等級主要有380V、660V、1140V、3300V、6000V、10000V等。普遍采用模擬繼電器電路控制或PLC控制開關(guān)量和模擬量，均有控制和反饋接點(diǎn)以及過壓、欠壓、過流、過載、短路、缺相、相不平衡、漏電閉鎖等保護(hù)，并具有一定的工作參數(shù)顯示和故障狀態(tài)顯示功能。其內(nèi)部數(shù)據(jù)交換采用開關(guān)量和模擬量形式，具有控制線路數(shù)量龐大、復(fù)雜、布線困難、不易維護(hù)以及抗干擾能力較弱等缺點(diǎn)，而且運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)等信息不易上傳至地面，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，不能滿足數(shù)字化礦井建設(shè)的要求。

3 基于CAN總線技術(shù)的開關(guān)控制系統(tǒng)

針對目前礦用防爆開關(guān)的現(xiàn)狀及煤礦安全及數(shù)字化礦井的要求，將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)的控制系統(tǒng)，采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，而開關(guān)內(nèi)部則采用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通信，建立友好的人機(jī)界面便于顯示與操作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的保護(hù)。采用光纖傳輸提高數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)目垢蓴_性和通信距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷。基于CAN總線技術(shù)的礦用防爆開關(guān)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.1 礦用防爆開關(guān)控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3.1.1 主控制器

采用ARM9芯片和大屏幕LCD彩色顯示器組成主控制器，主要完成控制系統(tǒng)設(shè)定、控制、顯示、記錄、信息處理及傳輸功能。主控制器具有圖形顯示界面，可顯示各分控部件運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)信息。采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工作狀態(tài)設(shè)定、遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程故障診斷，能夠適應(yīng)礦用防爆開關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要。采用CAN總線協(xié)議與開關(guān)內(nèi)部各部件控制器進(jìn)行通信，可現(xiàn)場或遠(yuǎn)程向各分控部件發(fā)送工作狀態(tài)設(shè)定數(shù)據(jù)、保護(hù)設(shè)定數(shù)據(jù)及控制命令數(shù)據(jù)，接收各分控部件的運(yùn)行狀態(tài)及故障參數(shù)等數(shù)據(jù)。主控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1.2 部件控制器

礦用防爆開關(guān)內(nèi)部的每一個需要檢測和控制的部件均需要一個部件控制器來對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線檢測和控制。部件控制器采集各部件的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)等信息，通過CAN總線接口與主控通信，將部件運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)及故障信息傳輸?shù)街骺刂破鞑⒔邮罩骺刂破鞯目刂泼睢１驹O(shè)計(jì)采用具有16路12位高速AD采集口的DSP芯片控制CAN總線控制器SJA1000，通過CAN總線收發(fā)器82C250實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)對主控制器的發(fā)送和接收，可滿足實(shí)時性及準(zhǔn)確性的要求。部件控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 部件控制器結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)有隔離換向開關(guān)檢測模塊、真空接觸器檢測控制模塊和綜合保護(hù)器檢測控制模塊3個部件控制器，隔離換向開關(guān)檢測模塊主要完成隔離換向開關(guān)觸點(diǎn)接觸可靠性和三相交流電的相序的檢測并上報給主控制器。真空接觸器檢測控制模塊主要完成真空接觸器的真空粘連檢測及分合狀態(tài)檢測并上報給主控制器，同時接收主控制器的分合命令并執(zhí)行。綜合保護(hù)器檢測控制模塊主要完成接收主控制器傳來的工作狀態(tài)及保護(hù)設(shè)定數(shù)據(jù)，并進(jìn)行主回路工作電壓和電流的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓、過流、過載、短路、缺相、相不平衡、漏電閉鎖等保護(hù)，同時將工作狀態(tài)及故障信息等數(shù)據(jù)上報給主控制器。

3.2 礦用防爆開關(guān)控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

主控制器采用ARM9系列芯片作為主控制芯片，其軟件流程圖見圖4。部件控制器采用DSP芯片作為主控制芯片，3個部件控制軟件流程圖分別見圖5、圖6、圖7。

4 技術(shù)分析

本文設(shè)計(jì)的礦用防爆開關(guān)控制系統(tǒng)采用ARM9系列芯片及DSP芯片，應(yīng)用了CAN現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動控制技術(shù)，適用于煤礦井下交流50Hz、電壓1140V和3300V供電系統(tǒng)。CAN現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，并采用CRC校驗(yàn)及其它檢錯措施，出錯率極低。CAN現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)簡單，各分控部件之間的連線只需兩條線，信號傳輸?shù)耐荡螖?shù)減少，提高了開關(guān)控制系統(tǒng)的可靠性，減少了礦用防爆開關(guān)內(nèi)部控制線的數(shù)量，簡化了設(shè)備內(nèi)部布線。工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用使礦用防爆開關(guān)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷功能得以實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)為：

（1）控制系統(tǒng)應(yīng)用了全數(shù)字化的處理、控制和保護(hù)、液晶中文顯示以及故障自診斷技術(shù)，使用了具有先進(jìn)嵌入式技術(shù)的ARM9芯片、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信和CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，控制軟件的設(shè)計(jì)靈活多樣確保了開關(guān)滿足現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的需要。

（2）控制系統(tǒng)軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)和冗余編程技術(shù)，模擬信號的處理采用高速采樣并經(jīng)過自適應(yīng)濾波和數(shù)字化處理，消除了煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中可能存在的干擾，系統(tǒng)還能對測量傳感器的輸入信號進(jìn)行自動修正，具有較強(qiáng)的檢錯能力和抗擾動能力。

（3）開關(guān)具有自診斷功能，其控制系統(tǒng)采用集散型分布控制拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，每個分控模塊均具有自診斷功能，確保了控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，其故障信息可以長期記憶并查詢。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的礦用防爆開關(guān)具有體積小、控制線數(shù)量少、接線簡單、事故點(diǎn)少、容易檢修等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到煤礦井下的特殊環(huán)境，采用了多種軟硬件抗干擾技術(shù)，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。人性化的人機(jī)界面方便了現(xiàn)場工作人員的監(jiān)控和管理，開關(guān)運(yùn)行的狀態(tài)及故障信息可以及時傳送到監(jiān)控中心，并可以接收監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程設(shè)定信息和遠(yuǎn)程控制指令，這提高了煤礦的現(xiàn)代化管理水平和生產(chǎn)效率。

［1］ 王娜，韓治華.礦用防爆開關(guān)智能保護(hù)器的研制［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2006（6）

［2］ 楊錦忠.基于單片機(jī)的礦用防爆開關(guān)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)［D］.北方工業(yè)大學(xué)，2008

［3］ 白應(yīng)成.淺析國產(chǎn)防爆電氣開關(guān)的選擇與改進(jìn)［J］.陜西煤炭，2012（4）

Application of CAN bus technology in mine explosion－proof switch

Wang Jinfeng
（Mechanical engineering institute，Taiyuan university of technology，Taiyuan，Shanxi030024，China）

Based on the current situation of mine explosion－proof switch，CAN bus technology and industrial Ethernet technology have been applied in mine explosion－proof switch.This system improves the level of protection and management of mining explosion－proof switch，simplifies the wiring in the switch，and enhances the anti－disturbance capacity in operation process.Mine explosion－proof switch enable to operate by network，monitoring and remote fault diagnosis.

CAN bus technology，industrial Ethernet，mine explosion－proof switch

TD684

A

王晉鳳（1969－），女，山西太原人，1990年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，碩士，現(xiàn)為太原理工大學(xué)講師，主要從事煤礦機(jī)電方面的研究。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）