基于CAN總線的掘進機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

郗燕杰，范柄堯

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 043300；2.中國煤炭科工集團太原研究院,山西 太原 030006）

隨著煤礦井下懸臂式掘進機電氣控制技術的逐步成熟應用，對電氣系統(tǒng)的技術要求也逐漸提高，掘進機電控系統(tǒng)需要在有限的結(jié)構空間下具備更加完備的數(shù)據(jù)采集、信號處理功能以及與之配對的豐富的通信接口。而CAN和CANopen通訊網(wǎng)絡具有分布式實時控制和并行處理數(shù)據(jù)等優(yōu)點，并且CAN總線技術還具有數(shù)據(jù)傳輸距離遠，傳輸速率快等優(yōu)點，因此CAN總線技術除了在工業(yè)控制和汽車控制系統(tǒng)具有較為廣泛的使用外，在煤礦井下是電氣系統(tǒng)設備里也廣泛應用。

1 CAN總線功能及簡介

基于CAN總線的掘進機的控制系統(tǒng)主要功能為：掘進機狀態(tài)參數(shù)的實時顯示和掘進機控制回路的實時控制功能。掘進機實際生產(chǎn)工作中，通過布置在掘進機上的傳感器采集掘進機工作狀態(tài)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN總線上的顯示器進行顯示，工人根據(jù)顯示的狀態(tài)信息進行掘進機的控制，控制時將控制信號傳輸?shù)紺AN總線上的電磁閥進行控制。

掘進機CAN總線的節(jié)點由傳感器、控制器、顯示器和電磁閥控制器等電子器件組成。這些電子器件的作用主要是數(shù)據(jù)信息的采集、處理和輸出。根據(jù)通信協(xié)議可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通訊。電子器件必須具有CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器是物理總線之間的接口，節(jié)點組成的原理如圖1所示。

圖1 CAN總線節(jié)點組成原理圖

2 總體系統(tǒng)設計

懸臂式掘進機由各種機械結(jié)構搭接、液壓系統(tǒng)連接各個結(jié)構，通過電氣系統(tǒng)執(zhí)行動作，為了實現(xiàn)掘進機各個執(zhí)行機構穩(wěn)定動作并了解關鍵部件的狀態(tài)運行信息，通過在掘進機上布置相關的傳感器，利用電控系統(tǒng)實現(xiàn)對這些運動機構的監(jiān)測和保護。對于一臺掘進機，電氣控制系統(tǒng)包括控制回路、數(shù)據(jù)監(jiān)測回路和顯示回路3個部分。

2．1 掘進機電氣監(jiān)測系統(tǒng)設計

控制回路主要由控制器構成，控制器的CAN接口主要與掘進機上的操作箱、顯示器進行CAN總線通訊。整套系統(tǒng)的通訊方式為一主多從的通訊方式，其中控制回路的控制器是主站，操作箱和顯示器是從站，主站和從站通過PDO報文的形式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交互傳遞，其中主站和從站的波特率設置一致即可，為保證通訊效率，一般為250kbit/s。

數(shù)據(jù)監(jiān)測回路主要由各類傳感器構成，主要監(jiān)控掘進機工作時的狀態(tài)信息。傳感器主要完成數(shù)據(jù)的采集，控制系統(tǒng)收到傳感器數(shù)據(jù)后完成對數(shù)據(jù)的分析和處理，最后給出是否存在故障的判斷，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示屏進行顯示。

顯示回路主要由中文液晶屏構成，液晶屏通過CAN總線與控制器通訊，快速地交互信息，顯示控制器處理后的傳感器數(shù)據(jù)、掘進機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù)設定等數(shù)據(jù)。

2．2 掘進機的工作過程

掘進機送電之后，首先對自身電機和傳感器狀態(tài)進行自檢驗，具備啟動條件之后設備可以運行，否則液晶屏通過CAN總線接收控制器發(fā)送的不能運行的數(shù)據(jù)進行顯示，待操作人員將故障處理后即可運行設備。掘進機運行時，控制回路通過控制繼電器控制相應電機的啟停；電機啟動后實時監(jiān)測電機運行狀態(tài)，對電機的缺項、過流、過載和過熱等故障進行實時監(jiān)測和故障診斷顯示。其中針對掘進機的主回路的故障保護包括過載、缺項和斷相等情況，這種情況下應該立即停止工作并處理故障。掘進機工作過程示意如圖2所示。

圖2 掘進機工作過程示意圖

2．3 實時方案設計

掘進機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的各個部件系統(tǒng)各自獨立，通過CAN總線進行設備間數(shù)據(jù)的連接和通訊，如下圖所示。傳感器、控制器和執(zhí)行器各自獨立，每個CAN節(jié)點都可以完成監(jiān)測和數(shù)據(jù)交互功能。CAN總線監(jiān)測原理如圖3所示。

圖3 CAN總線監(jiān)測原理圖

3 結(jié)語

本文介紹了懸臂式掘進機的工作流程和系統(tǒng)組成，針對掘進機工作過程設計了基于CAN總線的電氣監(jiān)測系統(tǒng)，通過設計掘進機的運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對掘進機的實時在線數(shù)據(jù)采集和處理功能，使得掘進機電氣系統(tǒng)功能更加完善。