程鳳霞

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國是世界上煤礦儲(chǔ)量最大的國家，隨著社會(huì)不斷發(fā)展，人們對(duì)能源需求不斷增大，在這一大需求背景下，我國越來越多的煤炭資源得以開發(fā)，以滿足中國和世界其他國家越來越多的能源需求。近幾年，隨著國家對(duì)安全、快速、綠色開采的要求逐漸增高，以及傳感技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，總線技術(shù)在采、掘、運(yùn)、支等設(shè)備中得以廣泛應(yīng)用。其中，CAN總線以其多主結(jié)構(gòu)、可靠性強(qiáng)、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、容錯(cuò)能力強(qiáng)、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)[1-3]，取代了傳統(tǒng)RS-485的通信方式，應(yīng)用在采煤設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使采煤設(shè)備的自動(dòng)化、智能化程度越來越高，甚至在一些工作面實(shí)現(xiàn)了無人、自動(dòng)化開采，在安全、綠色開采的同時(shí)，達(dá)到了減人、增效的目的[4,5]。本文主要對(duì)CAN總線技術(shù)在采煤設(shè)備中的適用性進(jìn)行了研究。

1 基于RS-485通信存在的問題

我國地質(zhì)條件十分惡劣，多數(shù)礦井存在瓦斯突出、煤礦透水、頂板冒落等安全隱患，時(shí)刻威脅著礦工的生命安全。因此，為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，越來越多的檢測、監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用在采煤設(shè)備中，最大限度地保障了煤礦的安全生產(chǎn)。

采煤設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展初期，在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所選用的這些檢測、監(jiān)測設(shè)備大多是基于Modbus RTU通信協(xié)議、以RS-485總線為通信介質(zhì)的智能化設(shè)備。這些智能化設(shè)備通過雙絞線，以菊花鏈?zhǔn)竭B接，組成了采煤機(jī)的智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。RS-485網(wǎng)絡(luò)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)RS-485網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由這一總線結(jié)構(gòu)中可以看到，總線接到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，再從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備跳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，以此類推。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免接收信號(hào)不佳，在信號(hào)線的兩端各跨接一個(gè)120 Ω的線末電阻。

這一基于Modbus協(xié)議的RS-485通信網(wǎng)絡(luò)在采煤設(shè)備的電氣系統(tǒng)組網(wǎng)、設(shè)計(jì)中已得到了廣泛應(yīng)用。隨著采煤設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的功能提出了越來越高的要求，需要使用大量智能化電子設(shè)備進(jìn)行越來越多的參數(shù)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)采煤設(shè)備整體功能的提高并且更智能化，因而形成了龐大的智能化設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下，原有RS-485通信方式的缺點(diǎn)逐漸在應(yīng)用中凸顯出來，已不能滿足電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。其主要體現(xiàn)在：

1) RS-485接口雖然能夠做到點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，但它不能夠做總線的自動(dòng)仲裁，不能夠同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和避免總線競爭，所以數(shù)據(jù)的冗余量較大，造成整個(gè)系統(tǒng)的通信效率很低，不適用于速度要求較高的應(yīng)用場合。

2) RS-485總線上通常只有一個(gè)主機(jī)，其他設(shè)備都屬于從屬設(shè)備，這種總線方式構(gòu)成了典型的一主多從的集中-分散型控制系統(tǒng)，在這種組網(wǎng)方式下，一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的通信處于癱瘓狀態(tài)，無法保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3) RS-485總線一主多從的單主結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)從站只能在主站循環(huán)訪問時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，造成數(shù)據(jù)不能自主實(shí)時(shí)上傳，且無法滿足各通信分站之間自主通信的需求，有可能貽誤緊急數(shù)據(jù)上傳，增大了控制系統(tǒng)的不安全系數(shù)，降低了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。

4) 從硬件組網(wǎng)方面考慮，RS-485網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)的掉線，會(huì)導(dǎo)致這一節(jié)點(diǎn)及其后所有節(jié)點(diǎn)的主機(jī)通信中斷，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

2 CAN總線通信

2.1 CAN總線的選用[6]

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱,最初是由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。1993年，CAN成為了國際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范不斷升級(jí)并互相兼容，并以其高性能、高可靠性在其他工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)自動(dòng)化、樓宇建筑、電力網(wǎng)絡(luò)、安全消防等領(lǐng)域得到了長足發(fā)展。

針對(duì)RS-485總線在采煤機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用中的不足之處，具有非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制、多主工作方式、任一節(jié)點(diǎn)的掉線不影響網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)等特點(diǎn)的CAN總線，逐漸在采煤機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

結(jié)合CAN總線特點(diǎn)、煤礦井下的惡劣條件以及高安全、高可靠性的要求，選用CAN總線進(jìn)行煤礦井下采煤設(shè)備各采集單元與主控單元間、各設(shè)備間大網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[7-9]選用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)單元共用一條總線(常用雙絞線)，布線簡單，擴(kuò)充容易，節(jié)點(diǎn)失效、增刪并不影響全網(wǎng)工作，這有利于在系統(tǒng)功能加強(qiáng)時(shí)，可以不額外增加設(shè)備而實(shí)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)的接入，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到煤礦井下干擾較大，大設(shè)備或成套設(shè)備所需通信點(diǎn)較多，在CAN網(wǎng)絡(luò)中多采用CAN中繼器，除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離的功能外，還可以提高整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力、延長通信距離，提高總線的可靠性[10]。

不同生產(chǎn)廠家的CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)備在采煤設(shè)備電氣控制系統(tǒng)中形成了一個(gè)復(fù)雜的CAN網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少回波反射，在CAN通信網(wǎng)絡(luò)的首尾兩端設(shè)備各接120 Ω的終端電阻，電阻跨接在CAN通信的信號(hào)線CAN_H和CAN_L之間。

在這一分布式、層次式數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，各單一數(shù)據(jù)采集設(shè)備或多信息合成的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以雙絞線為介質(zhì)，形成了CAN總線的多主網(wǎng)絡(luò)。利用這一CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分級(jí)簡化成多個(gè)子系統(tǒng)，各系統(tǒng)設(shè)備將其采集數(shù)據(jù)、監(jiān)測信息傳送到所屬的子控制中心，各子控制中心之間再進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)各子控制中心的信息共享以及復(fù)雜配套設(shè)備之間閉鎖、聯(lián)動(dòng)、協(xié)同控制，達(dá)到各設(shè)備間的協(xié)調(diào)、連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)安全、高效的目的。

3 CAN網(wǎng)絡(luò)通信的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)匹配

首先，通過CAN分析儀連接各節(jié)點(diǎn)設(shè)備，通過發(fā)送SDO命令對(duì)各節(jié)點(diǎn)的地址、傳輸速率對(duì)象索引值進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匹配及各節(jié)點(diǎn)間的正常通信。

3.2 通信參數(shù)設(shè)定

通過軟件對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的PDO通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括COB-ID的設(shè)定、傳輸類型的選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送周期、禁止時(shí)間等；此外，還要進(jìn)行PDO映射變量的定義、緊急報(bào)文的設(shè)定等等。

3.3 BeckHoff控制器的CAN網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)

采煤設(shè)備的電氣系統(tǒng)選用專門為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的BeckHoff控制器為控制核心，以其為控制核心的CAN網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備與控制器的通信、各子網(wǎng)之間的通信均遵循CAN2.0通信協(xié)議，各底層節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)好的數(shù)據(jù)格式，將采集到的信息實(shí)時(shí)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，完成數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到CAN總線上，各子網(wǎng)中的核心控制器將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息解析，從而掌握各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信息，完成各子網(wǎng)控制單元的系統(tǒng)監(jiān)測、控制，以及與其他子網(wǎng)控制單元的信息交換。

在BeckHoff控制器的系統(tǒng)配置軟件中，設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的傳輸速率、站號(hào)、CAN/CAN-Open選擇、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址；數(shù)據(jù)接收模塊與主程序定義的CAN通信相關(guān)變量進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)映射。當(dāng)主控制器與各CAN模塊成功建立通信后，采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)映射關(guān)系自動(dòng)裝入變量的正確位置，主控制器通過實(shí)時(shí)分析變量內(nèi)容進(jìn)行信息識(shí)別，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在程序編寫中，可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集傳輸信息的重要程度不同，對(duì)節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行不同的設(shè)置，以劃分成不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)重要信息的優(yōu)先、實(shí)時(shí)傳輸，提高了系統(tǒng)控制的安全性、可靠性。

4 結(jié)論

通過分析研究表明，基于CAN總線構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)非常適用于強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)噪聲干擾的煤礦井下惡劣環(huán)境中，保證了電氣控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、高可靠性、高傳輸速率、無數(shù)據(jù)丟失?；诖搜芯康母鞑擅涸O(shè)備，如連續(xù)采煤機(jī)、掘錨一體機(jī)、自動(dòng)運(yùn)錨機(jī)等，整體性能包括智能化、自動(dòng)化程度等得到了大大提高，并廣泛應(yīng)用在陽煤、晉煤、神東各大煤礦。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)CAN總線技術(shù)較傳統(tǒng)的串行總線網(wǎng)絡(luò)在可靠性、實(shí)時(shí)性、組網(wǎng)靈活性等方面有顯著優(yōu)勢，得到了用戶的一致好評(píng)。