基于CAN總線的甲烷斷電裝置的研制

牛宏輝，高云廣，宋建成，王 雪，田德翔，張 敏

(1.太原理工大學(xué)，礦用智能電器技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024；2.太原科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，山西太原030024)

0 引言

隨著科技進(jìn)步，自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化水平的提高，智慧礦山理念應(yīng)用而生，其重點(diǎn)在于設(shè)備層的研制與改進(jìn)，對(duì)設(shè)備層提出了新要求：要求精度高和壽命長(zhǎng)的檢測(cè)傳感器，要求可靠的執(zhí)行能力，以適應(yīng)井下惡劣的環(huán)境；要能“講話”，能將自身的狀態(tài)反饋給監(jiān)控中心和管理人員，便于管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免因設(shè)備故障而導(dǎo)致事故；具有主動(dòng)智能化協(xié)同監(jiān)測(cè)和監(jiān)控功能，將傳統(tǒng)各自獨(dú)立的設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)和集成，對(duì)井下危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)煤礦危險(xiǎn)源狀態(tài)(如瓦斯、頂板、地表沉降等)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警[1-2]。

傳統(tǒng)甲烷斷電裝置主要應(yīng)用單微機(jī)檢測(cè)，對(duì)單一參數(shù)監(jiān)測(cè)，這樣會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生，尤其是在風(fēng)機(jī)停機(jī)情況下，無(wú)組織地啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，會(huì)造成“一風(fēng)吹”的現(xiàn)象；傳統(tǒng)的電磁繼電器作為閉鎖輸出電路的主要元件，動(dòng)作延時(shí)長(zhǎng)，在振動(dòng)比較劇烈的環(huán)境下，可靠性不高[3]。結(jié)合傳統(tǒng)甲烷斷電裝置的不足與智慧礦山對(duì)設(shè)備的新要求，設(shè)計(jì)一種能夠可靠與煤礦井下電氣設(shè)備協(xié)調(diào)工作、實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控的甲烷斷電裝置具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)的甲烷斷電裝置，自帶后備電源以及電源管理電路，保證斷電后能繼續(xù)工作。利用固態(tài)繼電器設(shè)計(jì)了閉鎖電路。采用CAN總線，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控分站、設(shè)備開停傳感器、斷電控制器通信，具有遠(yuǎn)程閉鎖控制和3%甲烷風(fēng)電閉鎖等功能。

1 裝置結(jié)構(gòu)

甲烷斷電裝置的整體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。甲烷檢測(cè)電路檢測(cè)甲烷濃度，將濃度信息本地顯示并輸出幅值為24 V的頻率信號(hào)。通過CAN通信、按鍵和紅外遙控器，實(shí)現(xiàn)調(diào)零、校正、參數(shù)的初始化與存儲(chǔ)，以及設(shè)備號(hào)id、報(bào)警值、工作模式等參數(shù)的設(shè)定。設(shè)置工作在3% 甲烷風(fēng)電閉鎖模式時(shí)，主動(dòng)協(xié)同設(shè)備開停傳感器，實(shí)現(xiàn)3%甲烷風(fēng)電閉鎖功能；工作在甲烷電閉鎖模式時(shí)，若甲烷斷電裝置檢測(cè)到裝置附近的甲烷濃度值超標(biāo)，則進(jìn)行聲光報(bào)警和閉鎖操作，與斷電控制器配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程斷電閉鎖控制，并立刻主動(dòng)向礦井監(jiān)控設(shè)備發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)信號(hào)和閉鎖信號(hào)，使得礦井監(jiān)控設(shè)備及時(shí)獲取甲烷超標(biāo)信息，并發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，保障井下工作人員的安全。

圖1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)

2 硬件電路

2.1 電源模塊電路設(shè)計(jì)

整套裝置的電源部分如圖2所示，由本安電源供電，經(jīng)過緩啟動(dòng)電路，輸出分為2路，一路驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警，另一路經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊輸出3.3 V、5 V和24 V。其中24 V電源用于電池充電電路和頻率輸出模塊；3.3 V電源給單片機(jī)和其他芯片供電；5 V電源用于CAN通信接口的供電，與其他電源的地相隔離。

圖2 電源結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 緩啟動(dòng)電路

緩啟動(dòng)電路如圖3所示。采用LT4356-1監(jiān)視VCC和SNS之間的壓降，限制VCC和SNS引腳之間的電壓到50 mV，以此來控制連接在GATE引腳上的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，從而控制輸出。VCC與SNS之間并聯(lián)0.1 Ω電阻和0.05 Ω電阻，此時(shí)輸入電流限制在1.5 A以內(nèi)。場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓的變化大于5 V/μs，需要一個(gè)柵極電容器C16，使柵極電壓穩(wěn)定，但這樣減慢了關(guān)斷時(shí)間，所以使用電阻R15和二極管D1提高關(guān)斷時(shí)間。根據(jù)最大電壓24 V和最大電流1.5 A，得到場(chǎng)效應(yīng)管的功率為36 W，選取了N溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF530S。

圖3 緩啟動(dòng)電路原理圖

測(cè)量緩啟動(dòng)電路的輸入電壓VIN與輸出電壓VOUT，如圖4所示，從啟動(dòng)到達(dá)到正常電壓有一定的延時(shí)。由于供電電壓是緩慢上升的過程，所以供電電流也是較為緩慢的上升過程，抑制了浪涌電流。

圖4 緩啟動(dòng)電路的輸入與輸出的電壓波形

2.1.2 備用電源管理電路

備用電源管理電路由電池充電電路[4-5]和電源切換電路組成。

電源切換電路實(shí)現(xiàn)本安電源與電池供電的自動(dòng)切換。正常工作時(shí)由本安電源供電，允許電池充電電路工作；在沒有本安電源供電的情況下，切除充電電路，切換到備用電池供電。后備電源為2.2 Ah電池組，可保證在本安電源停止供電后，工作2 h以上。

采用電源模塊URB2424YMD-10WR3得到24 V電壓，提供充電電源。電池充電電路的主要元件為CN3704，實(shí)現(xiàn)對(duì)4節(jié)鋰電池的恒流和恒壓充電，電池充電電路原理圖如圖5所示。充電過程中，LED4燈亮，LED3燈不亮；充滿電后LED3燈亮，LED4燈滅。

圖5 充電電路原理圖

在電池電壓較低時(shí)，采用恒流充電，按式(1)設(shè)置恒流充電電流ICH。R20為0.5 Ω，ICH為400 mA。

ICH=200/R20

(1)

當(dāng)電池電壓達(dá)到16.8 V時(shí)，切換到恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到EOC管腳的電阻所設(shè)置的電流IEOC時(shí)，充電結(jié)束。按式(2)設(shè)置充電結(jié)束電流IEOC。R9為10 kΩ，IEOC為62.7 mA。

IEOC=1.278×(14 350+R9)/(R20×106)

(2)

2.2 閉鎖輸出電路

切斷被控電氣設(shè)備電源是裝置必不可少的功能之一。比起電磁繼電器，固態(tài)繼電器穩(wěn)定可靠且壽命長(zhǎng)久，選取D系列百斯特固態(tài)繼電器，設(shè)計(jì)如圖6所示的電路，實(shí)現(xiàn)閉鎖控制功能。

圖6 閉鎖電路原理圖

2.3 通信系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，設(shè)計(jì)了如圖7所示的CAN通信電路[6-7]。通信電路由STM32單片機(jī)的CAN收發(fā)器和82C250Y總線驅(qū)動(dòng)器組成，主要實(shí)現(xiàn)CAN通信中的數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的功能。STM32單片機(jī)與CAN總線驅(qū)動(dòng)器 82C250Y之間采用高速光耦進(jìn)行隔離，使用完全隔離的電源3 V和5 V，以避免單片機(jī)與通信電路相互干擾，保證CAN通信的質(zhì)量。CANH與CANL引腳間并聯(lián)了一個(gè)120 Ω的終端電阻，防止信號(hào)反射。設(shè)計(jì)有R44和D6、R45和D7組成的過電壓保護(hù)電路，保證裝置的通信系統(tǒng)更加安全。

圖7 通信接口

3 通信軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的約定

利用CAN高速和多主通信的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的通信構(gòu)架，設(shè)計(jì)出煤礦設(shè)備通信結(jié)構(gòu)如圖8所示，通過連接在一個(gè)CAN總線上設(shè)備之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)3%甲烷風(fēng)電閉鎖功能、甲烷電遠(yuǎn)程閉鎖功能以及監(jiān)控分站與裝置的通信。

圖8 通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

設(shè)置CAN總線的通信速率為250 kbit/s，采用CAN2.0A協(xié)議中規(guī)定的通信格式進(jìn)行通信。使用“標(biāo)識(shí)符(3位)+設(shè)備號(hào)id(8位)”作為通信地址，根據(jù)CAN通信中地址越小、優(yōu)先級(jí)越高的特點(diǎn)對(duì)3位標(biāo)識(shí)符做如表1的約定，并簡(jiǎn)述了甲烷斷電裝置與相關(guān)設(shè)備的通信內(nèi)容。

表1 標(biāo)識(shí)符定義表

3.2 通信功能的實(shí)現(xiàn)

在CAN接收程序中，提取接收到的數(shù)據(jù)中的3位標(biāo)識(shí)符與8位設(shè)備號(hào)，按圖9所示的流程圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)斷電控制器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求給予響應(yīng)；對(duì)來自監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)，解析為裝置的設(shè)備號(hào)id、斷電值、復(fù)電值、報(bào)警值、頻率制式[200～1 000 Hz(對(duì)應(yīng)0～4%CH4)和200～1 000 Hz(對(duì)應(yīng)0～10% CH4)]以及工作模式(3% 甲烷風(fēng)電閉鎖或甲烷電閉鎖模式)等參數(shù)的設(shè)置；根據(jù)設(shè)備開停傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)設(shè)置風(fēng)機(jī)狀態(tài)位。

圖9 CAN接收數(shù)據(jù)的流程圖

裝置的工作流程圖如圖10所示。處于甲烷電閉鎖模式時(shí)，若出現(xiàn)甲烷濃度異常，通過CAN通信主動(dòng)上傳該異常信息；由甲烷斷電裝置發(fā)出控制信號(hào)，斷電控制器在接收到甲烷斷電裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，判斷處理，并發(fā)出遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求數(shù)據(jù)，甲烷斷電裝置再次發(fā)送閉鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)給斷電控制器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程閉鎖控制。

由監(jiān)控分站設(shè)置甲烷斷電裝置為3%甲烷風(fēng)電閉鎖模式。當(dāng)甲烷濃度超過3%時(shí)，甲烷裝置發(fā)送查詢風(fēng)機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程幀給設(shè)備開停傳感器，設(shè)備開停傳感器在接收甲烷斷電裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，返回風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)3% 甲烷風(fēng)電閉鎖功能。

圖10 裝置工作流程圖

4 裝置的試驗(yàn)和調(diào)試

圖11為裝置測(cè)試圖。如圖11的前3行，用ECAN Tools發(fā)送幀ID為010+4的遠(yuǎn)程幀，設(shè)備號(hào)為4的甲烷斷電裝置發(fā)送甲烷濃度值+狀態(tài)值作為應(yīng)答；當(dāng)發(fā)送幀ID為010+5的遠(yuǎn)程幀時(shí)，則不返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。

如圖11的4～9行，設(shè)備號(hào)為0的監(jiān)控分站，發(fā)送幀ID為000+0數(shù)據(jù)幀，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀具體內(nèi)容為“00 83 21 2C 19 26 44”、“81 40 54”。設(shè)備號(hào)為4的甲烷斷電裝置接收這些數(shù)據(jù)，按表2和表3解析數(shù)據(jù)，設(shè)置裝置的設(shè)備號(hào)id為4，報(bào)警值為1.00%，斷電值為1.50%，復(fù)位值為0.50%，頻率制式1，校正值為2.00%，存儲(chǔ)參數(shù)，不初始化，甲烷電閉鎖模式，斷電控制器設(shè)備號(hào)為10，設(shè)備開停傳感器設(shè)備號(hào)為10；同時(shí)返回接收的數(shù)據(jù)作為應(yīng)答。當(dāng)發(fā)送幀ID為000+1的數(shù)據(jù)幀時(shí)，則不返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。

表2 監(jiān)控分站發(fā)送以0000開始的數(shù)據(jù)的含義

表3 監(jiān)控分站發(fā)送以1000開始的數(shù)據(jù)的含義

如圖11的最后3行，設(shè)備號(hào)為10的設(shè)備開停傳感器，發(fā)送幀ID為001+10的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送風(fēng)機(jī)狀態(tài)值，甲烷斷電裝置發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)作為應(yīng)答。當(dāng)發(fā)送幀ID為000+11的數(shù)據(jù)幀時(shí)，則不返回應(yīng)答數(shù)據(jù)。

圖11 測(cè)試圖

采用KA83J型傳感器智能調(diào)校裝置進(jìn)行功能測(cè)試，如圖12所示。將空氣和4路不同濃度的甲烷通入調(diào)校裝置，甲烷濃度分別為0.00%、0.53%、1.05%、1.53%和3.04%。當(dāng)濃度超過報(bào)警值1.00%時(shí)，閃燈報(bào)警；當(dāng)濃度超過斷電值1.50%時(shí)，聲光報(bào)警，閉鎖輸出；當(dāng)濃度小于復(fù)位值0.50%時(shí)，停止聲光報(bào)警，解鎖。

測(cè)試3%甲烷風(fēng)電閉鎖功能：當(dāng)濃度超過3.00%時(shí)，且查詢得到風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行閉鎖控制；當(dāng)甲烷濃度小于1.50%時(shí)，解鎖。

圖12 裝置測(cè)試圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合煤礦要求，設(shè)計(jì)了滿足實(shí)際需要的產(chǎn)品。雙電源供電保證了斷電后可靠工作，通過CAN總線通信實(shí)現(xiàn)裝置的報(bào)警值、斷電值等參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)故障上傳，并與斷電控制器、設(shè)備開停傳感器通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程閉鎖控制和3%甲烷風(fēng)電閉鎖功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該裝置能滿足智慧礦山對(duì)設(shè)備的要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。