張超（兗礦東華重工有限公司機(jī)電裝備制造分公司,山東鄒城273500）

CAN總線在煤礦多回路電磁起動(dòng)器中的應(yīng)用

張超
（兗礦東華重工有限公司機(jī)電裝備制造分公司,山東鄒城273500）

摘要：本文根據(jù)設(shè)計(jì)的多回路磁力起動(dòng)器的特點(diǎn)及要求，對(duì)通信系統(tǒng)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多回路電磁起動(dòng)器上位機(jī)控制單元(PLC)與下位機(jī)保護(hù)測控單元(保護(hù)卡)之間采用CAN接口實(shí)現(xiàn)信息交換，并預(yù)留以太網(wǎng)接口，完成對(duì)多臺(tái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的集中控制與保護(hù)。

關(guān)鍵詞：CAN總線；多回路磁力起動(dòng)器；PLC

0引言

多回路電磁起動(dòng)器主要是用于采煤、掘進(jìn)工作面，對(duì)工作面的各負(fù)荷進(jìn)行集中控制與保護(hù)的電氣設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備保護(hù)和控制的需要，基于微電子和現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)具有一定通信功能和邏輯判斷能力的多回路電磁起動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)電機(jī)的監(jiān)控、保護(hù)及狀態(tài)管理等功能。

1CAN通信結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

CAN即控制器局域網(wǎng)，遵循現(xiàn)場總線協(xié)議。CAN總線通信結(jié)構(gòu)由PLC、CAN通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和CAN轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成，其數(shù)據(jù)通信主要特點(diǎn)：

（1）CAN總線為多主方式通信，總線網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地、不分主從地向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

（2）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)總線網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

（3）與傳統(tǒng)的站地址編碼不同，CAN通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不受限制。

（4）CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。??（5）CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率在5kbps

以下）；通信速率最高可達(dá)在1Mbps（此時(shí)通信距離最長為40m）。

（6）采用短幀結(jié)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)，每幀信息都采用了CRC幀校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸高效、準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好。

（7）CAN節(jié)點(diǎn)有錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，有自動(dòng)關(guān)閉功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

（8）CAN總線具有較高的性價(jià)比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個(gè)節(jié)的價(jià)格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)工具。

根據(jù)CAN通信的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多回路電磁起動(dòng)器的通信結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。??

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上位機(jī)PLC和下位機(jī)保護(hù)卡之間組成典型的分布式通信系統(tǒng)，以主從方式進(jìn)行通信，系統(tǒng)中僅需要1個(gè)上位機(jī)PLC，既可以與各下位機(jī)保護(hù)卡分別進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信，也可以同時(shí)和所有從機(jī)進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單向通信，即PLC向所有從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)或命令。

2通信硬件設(shè)計(jì)

2.1PLC的CAN通信

PLC選用的是貝加萊CPU模塊型號(hào)為7CP476-020.9，其自身有1 個(gè)CAN接口，完全支持國際CANV2.0B技術(shù)規(guī)范。能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀數(shù)字字節(jié)。

2.2保護(hù)卡通信設(shè)計(jì)

CAN總線通信系統(tǒng)，CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。保護(hù)卡的CAN總線通信模塊由MICROCHIP公司dsPIC30f6014a數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)部提供的CAN模塊和新的CTM系列隔離CAN收發(fā)器模塊組成。

電路設(shè)計(jì)中采用的CAN收發(fā)器模塊CTM1050，它是一款帶隔離功能的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所必需的CAN隔離器件及CAN收、發(fā)器件，可以很好地實(shí)現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點(diǎn)電氣、電源之間的完全隔離和獨(dú)立，提高了CAN總線通信中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。CTM1050的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能及ESD保護(hù)作用。

磁力啟動(dòng)器中保護(hù)卡CAN總線通信節(jié)點(diǎn)硬件單元原理圖如圖2所示。

圖2保護(hù)卡CAN總線通信節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

在以往的設(shè)計(jì)中需要光耦、DC/DC隔離、CAN收發(fā)器等其他元器件才能實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，本文使用CTM1050接口芯片直接與CAN協(xié)議控制器相連就可以實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，其接口簡單，方便。

3通信規(guī)約

CAN總線的接口幀格式有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種。本多回路真空電磁起動(dòng)器CAN總線通信協(xié)議中接口幀格式工作于增強(qiáng)模式，以擴(kuò)展幀方式傳遞報(bào)文。標(biāo)識(shí)碼29位，報(bào)文長度0～8字節(jié)可選?？偩€傳輸速率為20kbps。

在總線系統(tǒng)參數(shù)配置中，重點(diǎn)考慮29位標(biāo)識(shí)符的分配，因?yàn)闃?biāo)識(shí)符是唯一區(qū)分多回路真空電磁起動(dòng)器內(nèi)不同保護(hù)卡位置和命令類型的識(shí)別碼。本通信系統(tǒng)中，標(biāo)識(shí)符各位具體分配如表1所示。

（1）保留地址：由于CAN總線為多主工作模式，CAN節(jié)點(diǎn)從本質(zhì)上無主從之分。而在本多回路電磁起動(dòng)器采用主從通信，為區(qū)分上行響應(yīng)幀和下行命令幀，加入保留地址加以區(qū)別。當(dāng)CID1=0x02時(shí)，表示為下行命令幀；當(dāng)CID1=0x36時(shí)，表示為上行響應(yīng)幀。

（2）開關(guān)地址：表示各保護(hù)卡或絕緣檢測卡地址，為1字節(jié)。本多回路真空電磁起動(dòng)器中，地址范圍從0~15。

（3）命令碼：命令類型的具體描述，包括有獲取遙測+遙信量命令、起?？刂泼睢⒃囼?yàn)控制命令、設(shè)置參數(shù)命令、獲取故障信息命令和絕緣檢測命令等。

（4）命令碼的組合信息：PLC下發(fā)命令幀中對(duì)應(yīng)的具體命令操作。

地址(ADR)作為唯一區(qū)別不同下位機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志，需要經(jīng)過過濾器。另一部分需要過濾的是命令碼(CMD)，CMD中有1個(gè)字節(jié)是確定的數(shù)據(jù)，因此可以通過過濾提高獲取命令幀的檢錯(cuò)性能。

表1標(biāo)識(shí)碼各位定義

4磁力啟動(dòng)中的通信的抗干擾功能

由于PLC和保護(hù)板內(nèi)單片機(jī)均工作于多回路真空電磁起動(dòng)器隔爆腔體內(nèi)，距離較近，所以電磁起動(dòng)器內(nèi)部CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不需考慮通信距離的要求，但是電動(dòng)機(jī)起停所造成的電磁波會(huì)嚴(yán)重干擾CAN總線通信系統(tǒng)正常工作，本文從硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施以保證通信可靠性。

在硬件設(shè)計(jì)方面：

（1）要先經(jīng)過光電耦合器才能與單片機(jī)系統(tǒng)通信；

（2）采用帶屏蔽層的雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸，并匹配終端電阻。兩種硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)措施有效地提高了CAN總線通信系統(tǒng)的可靠性，并能夠保證單片機(jī)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

在軟件方面：

（1）設(shè)計(jì)了合理的字節(jié)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，采取了可靠的數(shù)據(jù)傳送和接收方式，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；

（2）選擇合適的通信速率。

為了完全適應(yīng)CAN總線通信協(xié)議及通信響應(yīng)速度問題，磁力啟動(dòng)選用的PLC采用字符中斷控制方式，來接收和發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，接收每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生中斷，可以保證在較高波特率時(shí)不會(huì)丟失字節(jié)數(shù)據(jù)。由于僅使用兩根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以不能用硬件握手信號(hào)作為檢測手段。為了防止產(chǎn)生誤碼，本系統(tǒng)采用軟件驗(yàn)證握手協(xié)議以保證通信的可靠性。PLC和單片機(jī)之間采用主一從通信方式，即PLC作為主站發(fā)起通信，單片機(jī)作為從站響應(yīng)通信。

由以上分析可知，采取有效的抗干擾措施可以保證采用CAN通信方式來實(shí)現(xiàn)PLC與單片機(jī)之間的通信功能的正常實(shí)現(xiàn)。

5結(jié)語

本文介紹了CAN通信的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了多回路真空電磁起動(dòng)器的通信結(jié)構(gòu)，研究了CAN總線通信的硬件設(shè)計(jì)及抗干擾措施，實(shí)現(xiàn)了PLC與單片機(jī)正常的通信功能。

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作者簡介：張超（1971-），男，工程師，主要從事煤礦電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用工作。