CAN總線技術在采煤設備中的適用性*

程鳳霞

(中國煤炭科工集團 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量最大的國家，隨著社會不斷發展，人們對能源需求不斷增大，在這一大需求背景下，我國越來越多的煤炭資源得以開發，以滿足中國和世界其他國家越來越多的能源需求。近幾年，隨著國家對安全、快速、綠色開采的要求逐漸增高，以及傳感技術、通信技術的飛速發展，總線技術在采、掘、運、支等設備中得以廣泛應用。其中，CAN總線以其多主結構、可靠性強、傳輸速率快、傳輸距離遠、容錯能力強、組網方便等特點[1-3]，取代了傳統RS-485的通信方式，應用在采煤設備的電氣控制系統設計中，使采煤設備的自動化、智能化程度越來越高，甚至在一些工作面實現了無人、自動化開采，在安全、綠色開采的同時，達到了減人、增效的目的[4,5]。本文主要對CAN總線技術在采煤設備中的適用性進行了研究。

1 基于RS-485通信存在的問題

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

采煤設備自動化發展初期，在電氣系統設計中，所選用的這些檢測、監測設備大多是基于Modbus RTU通信協議、以RS-485總線為通信介質的智能化設備。這些智能化設備通過雙絞線，以菊花鏈式連接，組成了采煤機的智能化監控網絡。RS-485網絡的總線拓撲結構如圖1所示。

圖1 電氣系統RS-485網絡總線拓撲結構

由這一總線結構中可以看到，總線接到第一個節點設備，再從第一個節點設備跳到下一個節點設備，以此類推。在實際應用中，為了避免接收信號不佳，在信號線的兩端各跨接一個120 Ω的線末電阻。

這一基于Modbus協議的RS-485通信網絡在采煤設備的電氣系統組網、設計中已得到了廣泛應用。隨著采煤設備技術的不斷發展，對電氣控制系統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備進行越來越多的參數監測，以實現采煤設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備網絡，在這種情況下，原有RS-485通信方式的缺點逐漸在應用中凸顯出來，已不能滿足電氣控制系統設計的需求。其主要體現在：

1) RS-485接口雖然能夠做到點到多點的通信，實現設備聯網，但它不能夠做總線的自動仲裁，不能夠同時發送數據和避免總線競爭，所以數據的冗余量較大，造成整個系統的通信效率很低，不適用于速度要求較高的應用場合。

2) RS-485總線上通常只有一個主機，其他設備都屬于從屬設備，這種總線方式構成了典型的一主多從的集中-分散型控制系統，在這種組網方式下，一旦主機出現故障，會使整個系統的通信處于癱瘓狀態，無法保證系統運行的可靠性。

3) RS-485總線一主多從的單主結構，使得每個從站只能在主站循環訪問時才能進行數據上傳，造成數據不能自主實時上傳，且無法滿足各通信分站之間自主通信的需求，有可能貽誤緊急數據上傳，增大了控制系統的不安全系數，降低了系統控制的實時性。

4) 從硬件組網方面考慮，RS-485網絡中任一節點的掉線，會導致這一節點及其后所有節點的主機通信中斷，從而影響了整個系統網絡的正常通信。

2 CAN總線通信

2.1 CAN總線的選用[6]

CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱,最初是由德國BOSCH公司為汽車監測、控制系統而設計的。1993年，CAN成為了國際標準，規范不斷升級并互相兼容，并以其高性能、高可靠性在其他工業領域得到了廣泛應用，尤其是在工業自動化、樓宇建筑、電力網絡、安全消防等領域得到了長足發展。

針對RS-485總線在采煤機電氣控制系統應用中的不足之處，具有非破壞性位仲裁總線結構機制、多主工作方式、任一節點的掉線不影響網絡其他節點等特點的CAN總線，逐漸在采煤機電氣系統的設計領域中得到了應用。

2.2 CAN網絡的構建

結合CAN總線特點、煤礦井下的惡劣條件以及高安全、高可靠性的要求，選用CAN總線進行煤礦井下采煤設備各采集單元與主控單元間、各設備間大網絡的構建。

CAN網絡構建[7-9]選用總線型網絡拓撲結構，各節點單元共用一條總線(常用雙絞線)，布線簡單，擴充容易，節點失效、增刪并不影響全網工作，這有利于在系統功能加強時，可以不額外增加設備而實現新節點的接入，擴充網絡。

在實際設計中，應考慮到煤礦井下干擾較大，大設備或成套設備所需通信點較多，在CAN網絡中多采用CAN中繼器，除了實現電氣隔離的功能外，還可以提高整個CAN網絡的抗干擾能力、延長通信距離，提高總線的可靠性[10]。

不同生產廠家的CAN節點設備在采煤設備電氣控制系統中形成了一個復雜的CAN網絡，其網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 電氣系統CAN網絡拓撲結構

在實際應用中，為了減少回波反射，在CAN通信網絡的首尾兩端設備各接120 Ω的終端電阻，電阻跨接在CAN通信的信號線CAN_H和CAN_L之間。

在這一分布式、層次式數據通信網絡中，各單一數據采集設備或多信息合成的數據采集設備，以雙絞線為介質，形成了CAN總線的多主網絡。利用這一CAN網絡的拓撲結構，可以將一個復雜系統分級簡化成多個子系統，各系統設備將其采集數據、監測信息傳送到所屬的子控制中心，各子控制中心之間再進行數據交互，從而實現各子控制中心的信息共享以及復雜配套設備之間閉鎖、聯動、協同控制，達到各設備間的協調、連續運行，實現煤礦生產安全、高效的目的。

3 CAN網絡通信的軟件實現

3.1 網絡匹配

首先，通過CAN分析儀連接各節點設備，通過發送SDO命令對各節點的地址、傳輸速率對象索引值進行修改，實現網絡匹配及各節點間的正常通信。

3.2 通信參數設定

通過軟件對各節點設備的PDO通信參數進行設定，包括COB-ID的設定、傳輸類型的選擇、數據發送周期、禁止時間等；此外，還要進行PDO映射變量的定義、緊急報文的設定等等。

3.3 BeckHoff控制器的CAN網絡軟件實現

采煤設備的電氣系統選用專門為工業環境下應用而設計的BeckHoff控制器為控制核心，以其為控制核心的CAN網絡中，各節點設備與控制器的通信、各子網之間的通信均遵循CAN2.0通信協議，各底層節點按照預先設好的數據格式，將采集到的信息實時存入相應的數據單元，完成數據打包并發送到CAN總線上，各子網中的核心控制器將接收到的數據包進行信息解析，從而掌握各節點的動態信息，完成各子網控制單元的系統監測、控制，以及與其他子網控制單元的信息交換。

在BeckHoff控制器的系統配置軟件中，設置各節點的傳輸速率、站號、CAN/CAN-Open選擇、數據存儲地址；數據接收模塊與主程序定義的CAN通信相關變量進行正確的數據映射。當主控制器與各CAN模塊成功建立通信后，采集到的數據通過數據映射關系自動裝入變量的正確位置，主控制器通過實時分析變量內容進行信息識別，進而對系統進行控制。

在程序編寫中，可以根據各節點設備采集傳輸信息的重要程度不同，對節點編號進行不同的設置，以劃分成不同的優先級，實現重要信息的優先、實時傳輸，提高了系統控制的安全性、可靠性。

4 結論

通過分析研究表明，基于CAN總線構建的通信網絡非常適用于強電磁干擾、強噪聲干擾的煤礦井下惡劣環境中，保證了電氣控制系統數據傳輸的實時性、高可靠性、高傳輸速率、無數據丟失。基于此研究的各采煤設備，如連續采煤機、掘錨一體機、自動運錨機等，整體性能包括智能化、自動化程度等得到了大大提高，并廣泛應用在陽煤、晉煤、神東各大煤礦。應用發現CAN總線技術較傳統的串行總線網絡在可靠性、實時性、組網靈活性等方面有顯著優勢，得到了用戶的一致好評。