CANopen總線在煤礦采掘設備的應用

唐會成

摘要：介紹了CANopen總線通信協議的核心概念，根據煤礦井下采掘設備的實際運行工況，設計基于CANopen協議的煤礦采掘設備電氣控制系統，提高了設備電控系統性能及可靠性，降低了電控系統的故障率。

關鍵詞：CANopen協議；采掘設備；可靠性

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0144-02

煤礦井下采掘設備電氣控制系統的發展與采礦技術的發展密切相關。我國井下煤炭開采經過幾十年的發展，已經從簡單機械開采發展的自動化開采階段，隨著煤礦自動化開采設備的發展，采掘設備的電氣控制系統性能要求越來越高。作為采掘設備的主要組成部分，電氣控制系統的可靠性直接影響煤礦的生產效率，先進的技術將有助于降低工人的勞動強度，提高設備的使用壽命。

CANopen協議是CAN-in-Automation（CiA）定義的標準之一，是一種建立在CAN總線上的高級協議，通訊和服務協議子集包括通訊子協定及設備子協定，廣泛應用于現代控制領域的各個行業，本文闡述通過Inter Control構建CANopen總線分布式控制系統，優化電控系統的結構，提高控制系統的可靠性，從而促進了生產效率的提高。

1 CANopen通信協議的剖析

CANopen是一個基于CAN串行總線系統和CAL（CAN應用層）的高層協議。 CANopen的核心概念是設備的結構模型，設備結構模型構成完整CANopen設備，CANopen設備結構如圖1所示。

通訊接口單元依據通訊協議處理CANopen主站與其網絡上其他節點數據通訊，主站可以管理網絡節點工作狀態包括設備的啟動、初始化、配置和網絡管理。網絡管理中，同一個網絡中只允許有一個主節點、一個或多個從節點，并遵循主/從模式。服務數據對象（SDO）主要功能通過網絡節點的對象字典，讀取或設定數據。過程數據對象（PDO） 協議主要功能網絡節點間數據交互。

對象字典（OD：ObjectDictionary），對象字典是一個包含16位的索引和8位子索引的一個有序的對象組，包含該設備的描述及其網絡行為數據；CANopen通訊通過對象字典（OD）能夠訪問驅動器的所有參數。

應用部分用戶根據設備的實際類型及應用要求編寫的設備應用軟件。通過設備通信子協議（Communication Profile）描述對象字典的主要形式，以及對象字典中的通信對象和參數。這是一個CANopen設備的核心部分。

2 電氣系統硬件組成

采掘設備電控系統的基于CANopen協議分布式控制系統，其實現了多個電機的啟停控制、傳感器數據采集、多種保護、運行狀態實時顯示以及遠程遙控的聯合控制。控制系統CANopen總線拓撲結構如圖2所示。

主控制器負責各個電機啟停控制和PWM輸出控制電液比例閥。從控制器主要功能是通過保護器實現系統各種保護和多個傳感器數據的采集。HMI人機界面功能是顯示電控系統工作狀態以及設備運行的電壓和電流等參數。遙控接收機功能是將遙控發射機發射的控制信號傳輸到總線。總線節點通過CANopen網絡實現數據可靠傳輸。

3 Inter Control控制器程序設計

控制器的編程軟件PROSYD 1131符合IEC 61131-3國際標準，因此支持豐富的編程語言。控制器程序主要采用結構化語句程序設計語言（ST）和功能塊程序設計語言（FBD）來實現系統的各個功能。ST語言采用了類似于高級語言的程序結構，在開發較復雜的應用程序時更為簡便快捷。

控制程序由主程序和CANopen通訊子程序、電機控制子程序、PWM控制子程序、顯示子程序以及掉電存儲子程序等組成。控制器程序流程圖如圖3所示。

主控制器作為CANopen總線的主站，負責管理網絡，網絡各節點啟動和停止、網絡節點檢查以及網絡組建等作用。主站通過對網絡節點設備對象字典的配置或通過撥碼開關對節點站號進行配置。控制器上電執行系統的初始化，然后將所有從節點添加為網絡節點并啟動各從節點的心跳監測。主節點通過監測總線上每個節點周期性心跳報文（Heartbeat）來判斷各從節點的工作狀態。各從節點向主節點發送Boot-up報文，通知主節點已進入預操作（Pre-operational）狀態。主從節點采用PDO信息的同步周期方式，實現指令和運行信息的雙向讀取。PDO信息在CANopen網絡上實現一點對多點的數據傳輸即每個PDO可以傳輸8個字節的數據，CANopen網絡上PDO信息的讀寫就是數據在映像地址區的讀寫，各節點都能夠根據映像地址讀寫需要的PDO信息。

PWM子程序調節控制器PWM輸出以達到控制電流比較閥的目的。控制器將系統電壓、截割電流、截割電機溫度等參數傳輸給顯示箱。顯示箱通過內部程序運算實現對掘進機油缸位移、截割牽引力等整機參數的監測及動態特征提取，通過與截割試驗所得的工況特征比較，為截割參數最優匹配、控制系統的決策提供依據。當電控系統出現故障時，控制器會實時存儲故障發生的時間和類型，通過操作箱上的“查詢”開關可以查看歷史故障信息，為用戶排除故障和設備檢修提供幫助。

4 結語

采用Inter Control控制器基于CANopen總線的分布式控制系統，已經成功應用在我公司的采掘設備電控系統中。CANopen協議實現了電控系統中各種數據的實時可靠傳輸，克服了PLC電控系統接線復雜和故障點多的問題。同時CANopen協議具有良好兼容性，為系統功能的擴展提供了極大的方便。

參考文獻

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