中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 范柄堯

以煤礦井下采掘設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了以CAN總線為基礎(chǔ)的采掘設(shè)備分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集模塊、CAN總線通訊鏈路等。通過對(duì)采掘設(shè)備工作情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以掌握其工作狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。

隨著采掘設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的合理化和性能的可靠性的要求越來越高，電氣系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息傳輸?shù)膽?yīng)用越來越多，使用到的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口的種類也層出不窮，例如RS485、RS232、CAN及CANopen等。其中CAN及CANopen由于其支持并行控制和實(shí)時(shí)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為煤礦井下設(shè)備通訊的常用接口。因此，采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)中的主控制器選型時(shí)需具有CAN通訊接口，這樣才能根據(jù)采掘設(shè)備的具體應(yīng)用情況來實(shí)現(xiàn)其功能。

CAN總線在采掘設(shè)備控制系統(tǒng)的主要功能為設(shè)備工作時(shí)的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。采掘設(shè)備在工作過程中，采掘設(shè)備的工作狀態(tài)通過分布于不同部位的若干個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器將監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)發(fā)送給主控制器，主控制器通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸給顯示模塊，顯示模塊將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示，操作人員通過觀察顯示模塊了解采掘設(shè)備工作狀態(tài)，提高工作效率。

1 CAN總線組成與功能

CAN總線的節(jié)點(diǎn)由兩部分組成：主控制器模塊和CAN收發(fā)器模塊。主控制器模塊主要用于電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理和控制以及與外部設(shè)備通訊等。通過規(guī)定好通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備通訊時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸；CAN收發(fā)器模塊是一個(gè)硬件接口，能夠提高主控制器與CAN總線之間的驅(qū)動(dòng)能力。目前常見的電氣系統(tǒng)CAN總線設(shè)計(jì)思路為將主控制器模塊和CAN收發(fā)器模塊組合，或者直接使用帶有CAN收發(fā)器模塊的微型控制器。

CAN總線在采掘設(shè)備電氣控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用較多，由于其強(qiáng)大的可靠性使其成為應(yīng)用最多的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。當(dāng)線路的傳輸距離達(dá)到10Km時(shí)，通訊速率仍可達(dá)到50kbps，在國(guó)外很多工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN總線及其相關(guān)協(xié)議已經(jīng)成為具有通用性的標(biāo)準(zhǔn)總線，隨著時(shí)代的進(jìn)步和采掘設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的需求，針對(duì)CAN總線的通訊能力也有了進(jìn)一步的需求，那就是在保持其高可靠性和高通訊速率的前提下，還需適應(yīng)煤礦井下的惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和采掘設(shè)備工作時(shí)機(jī)身振動(dòng)大的使用工況。

CAN總線的硬件通信線路是由CAN-H和CAN-L組成，CAN-H和CAN-L構(gòu)成CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的總線。通訊網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都掛接在該總線上，并且都通過這兩條線纜交換數(shù)據(jù)。

2 CAN總線在采掘設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著煤礦井下采掘設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)采掘設(shè)備的關(guān)鍵部件和整個(gè)液壓系統(tǒng)的保護(hù)功能越來越多，為了實(shí)現(xiàn)上述功能，采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)通過在相應(yīng)位置布置傳感器，檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)來對(duì)相應(yīng)部位進(jìn)行控制和保護(hù)?？偟膩碚f，采掘設(shè)備的電氣系統(tǒng)可以分為控制保護(hù)回路部分、顯示器部分和主回路控制部分三個(gè)部分。CAN總線監(jiān)測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 CAN總線監(jiān)測(cè)原理圖

2.1 采掘設(shè)備電氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)的控制保護(hù)回路部分進(jìn)行設(shè)備電氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的工作，控制保護(hù)回路部分主要由主控制構(gòu)成，主控制用于監(jiān)測(cè)采掘設(shè)備工作狀態(tài)并將信息發(fā)送給顯示器進(jìn)行顯示。

主控制器和顯示器及主回路控制之間的通訊方式為CAN總線主從通訊方式。其中主控制器作為主站，顯示器和主回路控制系統(tǒng)作為從站，主控制器、顯示器和主回路控制系統(tǒng)的波特率統(tǒng)一設(shè)置為250kbit/s，數(shù)據(jù)通訊時(shí)按照規(guī)定好的通訊協(xié)議通過PDO報(bào)文的形式進(jìn)行交互。主回路控制系統(tǒng)將控制信號(hào)發(fā)給主控制器后控制主回路電機(jī)的啟停；顯示器將主控制發(fā)送的采掘設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和故障狀態(tài)接收后，通過顯示器內(nèi)部程序?qū)⑦@些信息通過圖標(biāo)或文字的形式顯示出來。

2.2 采掘設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采掘設(shè)備的主控制器、主回路控制系統(tǒng)和顯示器系統(tǒng)通過CAN總線方式通訊，這三個(gè)系統(tǒng)都有各自獨(dú)立的CAN收發(fā)接口能夠完成各自的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)控制和通訊功能，主控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)、各執(zhí)行器工作狀態(tài)和故障保護(hù)狀態(tài)，并通過CAN總線與顯示器通訊，實(shí)時(shí)將監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

主控制器和顯示器及主回路控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)要符合系統(tǒng)工作原理、傳感器數(shù)據(jù)的顯示要符合現(xiàn)場(chǎng)工況、故障保護(hù)的執(zhí)行要符合系統(tǒng)邏輯關(guān)系。設(shè)計(jì)程序時(shí)采用模塊化、系統(tǒng)化思路，模塊化、系統(tǒng)化的程序設(shè)計(jì)思路有利于后續(xù)系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)。采掘設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過主控制器實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)安裝在采掘設(shè)備上的各個(gè)傳感器、執(zhí)行器和控制保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)和信號(hào)，通過程序?qū)@些狀態(tài)和信號(hào)分析處理后，通過CAN總線報(bào)文的形式發(fā)送到總線上，顯示器和主回路控制系統(tǒng)通過總線上的變量狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)的顯示和相應(yīng)的控制。

結(jié)語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了以CAN總線為基礎(chǔ)的采掘設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)采掘設(shè)備的CAN總線主從通訊方式的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性。