CANopen總線在煤礦采掘設(shè)備的應(yīng)用

唐會(huì)成

摘要：介紹了CANopen總線通信協(xié)議的核心概念，根據(jù)煤礦井下采掘設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)基于CANopen協(xié)議的煤礦采掘設(shè)備電氣控制系統(tǒng)，提高了設(shè)備電控系統(tǒng)性能及可靠性，降低了電控系統(tǒng)的故障率。

關(guān)鍵詞：CANopen協(xié)議；采掘設(shè)備；可靠性

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0144-02

煤礦井下采掘設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展與采礦技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。我國(guó)井下煤炭開(kāi)采經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從簡(jiǎn)單機(jī)械開(kāi)采發(fā)展的自動(dòng)化開(kāi)采階段，隨著煤礦自動(dòng)化開(kāi)采設(shè)備的發(fā)展，采掘設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)性能要求越來(lái)越高。作為采掘設(shè)備的主要組成部分，電氣控制系統(tǒng)的可靠性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率，先進(jìn)的技術(shù)將有助于降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備的使用壽命。

CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation（CiA）定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，是一種建立在CAN總線上的高級(jí)協(xié)議，通訊和服務(wù)協(xié)議子集包括通訊子協(xié)定及設(shè)備子協(xié)定，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代控制領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，本文闡述通過(guò)Inter Control構(gòu)建CANopen總線分布式控制系統(tǒng)，優(yōu)化電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高控制系統(tǒng)的可靠性，從而促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提高。

1 CANopen通信協(xié)議的剖析

CANopen是一個(gè)基于CAN串行總線系統(tǒng)和CAL（CAN應(yīng)用層）的高層協(xié)議。 CANopen的核心概念是設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)備結(jié)構(gòu)模型構(gòu)成完整CANopen設(shè)備，CANopen設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通訊接口單元依據(jù)通訊協(xié)議處理CANopen主站與其網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊，主站可以管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)包括設(shè)備的啟動(dòng)、初始化、配置和網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理中，同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并遵循主/從模式。服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）主要功能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的對(duì)象字典，讀取或設(shè)定數(shù)據(jù)。過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO） 協(xié)議主要功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互。

對(duì)象字典（OD：ObjectDictionary），對(duì)象字典是一個(gè)包含16位的索引和8位子索引的一個(gè)有序的對(duì)象組，包含該設(shè)備的描述及其網(wǎng)絡(luò)行為數(shù)據(jù)；CANopen通訊通過(guò)對(duì)象字典（OD）能夠訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)器的所有參數(shù)。

應(yīng)用部分用戶根據(jù)設(shè)備的實(shí)際類型及應(yīng)用要求編寫的設(shè)備應(yīng)用軟件。通過(guò)設(shè)備通信子協(xié)議（Communication Profile）描述對(duì)象字典的主要形式，以及對(duì)象字典中的通信對(duì)象和參數(shù)。這是一個(gè)CANopen設(shè)備的核心部分。

2 電氣系統(tǒng)硬件組成

采掘設(shè)備電控系統(tǒng)的基于CANopen協(xié)議分布式控制系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電機(jī)的啟停控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、多種保護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示以及遠(yuǎn)程遙控的聯(lián)合控制。控制系統(tǒng)CANopen總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控制器負(fù)責(zé)各個(gè)電機(jī)啟?？刂坪蚉WM輸出控制電液比例閥。從控制器主要功能是通過(guò)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種保護(hù)和多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集。HMI人機(jī)界面功能是顯示電控系統(tǒng)工作狀態(tài)以及設(shè)備運(yùn)行的電壓和電流等參數(shù)。遙控接收機(jī)功能是將遙控發(fā)射機(jī)發(fā)射的控制信號(hào)傳輸?shù)娇偩€?？偩€節(jié)點(diǎn)通過(guò)CANopen網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。

3 Inter Control控制器程序設(shè)計(jì)

控制器的編程軟件PROSYD 1131符合IEC 61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此支持豐富的編程語(yǔ)言?？刂破鞒绦蛑饕捎媒Y(jié)構(gòu)化語(yǔ)句程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（ST）和功能塊程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（FBD）來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。ST語(yǔ)言采用了類似于高級(jí)語(yǔ)言的程序結(jié)構(gòu)，在開(kāi)發(fā)較復(fù)雜的應(yīng)用程序時(shí)更為簡(jiǎn)便快捷。

控制程序由主程序和CANopen通訊子程序、電機(jī)控制子程序、PWM控制子程序、顯示子程序以及掉電存儲(chǔ)子程序等組成。控制器程序流程圖如圖3所示。

主控制器作為CANopen總線的主站，負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和停止、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢查以及網(wǎng)絡(luò)組建等作用。主站通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)象字典的配置或通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)節(jié)點(diǎn)站號(hào)進(jìn)行配置?？刂破魃想妶?zhí)行系統(tǒng)的初始化，然后將所有從節(jié)點(diǎn)添加為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并啟動(dòng)各從節(jié)點(diǎn)的心跳監(jiān)測(cè)。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)監(jiān)測(cè)總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性心跳報(bào)文（Heartbeat）來(lái)判斷各從節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。各從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送Boot-up報(bào)文，通知主節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入預(yù)操作（Pre-operational）狀態(tài)。主從節(jié)點(diǎn)采用PDO信息的同步周期方式，實(shí)現(xiàn)指令和運(yùn)行信息的雙向讀取。PDO信息在CANopen網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸即每個(gè)PDO可以傳輸8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，CANopen網(wǎng)絡(luò)上PDO信息的讀寫就是數(shù)據(jù)在映像地址區(qū)的讀寫，各節(jié)點(diǎn)都能夠根據(jù)映像地址讀寫需要的PDO信息。

PWM子程序調(diào)節(jié)控制器PWM輸出以達(dá)到控制電流比較閥的目的?？刂破鲗⑾到y(tǒng)電壓、截割電流、截割電機(jī)溫度等參數(shù)傳輸給顯示箱。顯示箱通過(guò)內(nèi)部程序運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)油缸位移、截割牽引力等整機(jī)參數(shù)的監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)特征提取，通過(guò)與截割試驗(yàn)所得的工況特征比較，為截割參數(shù)最優(yōu)匹配、控制系統(tǒng)的決策提供依據(jù)。當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制器會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)故障發(fā)生的時(shí)間和類型，通過(guò)操作箱上的“查詢”開(kāi)關(guān)可以查看歷史故障信息，為用戶排除故障和設(shè)備檢修提供幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

采用Inter Control控制器基于CANopen總線的分布式控制系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用在我公司的采掘設(shè)備電控系統(tǒng)中。CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)了電控系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，克服了PLC電控系統(tǒng)接線復(fù)雜和故障點(diǎn)多的問(wèn)題。同時(shí)CANopen協(xié)議具有良好兼容性，為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了極大的方便。

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