CAN總線在采掘設備狀態監測系統的應用

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 范柄堯

以煤礦井下采掘設備為研究對象，設計了以CAN總線為基礎的采掘設備分布式實時監控系統，系統包括現場參數采集模塊、CAN總線通訊鏈路等。通過對采掘設備工作情況的實時監控，可以掌握其工作狀態，試驗結果表明，該狀態監測系統具有較高的實時性和可靠性。

隨著采掘設備自動化技術的發展，采掘設備電氣系統對結構的合理化和性能的可靠性的要求越來越高，電氣系統對數據采集、狀態監測和信息傳輸的應用越來越多，使用到的現場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時性能良好等優點，已經成為煤礦井下設備通訊的常用接口。因此，采掘設備電氣系統中的主控制器選型時需具有CAN通訊接口，這樣才能根據采掘設備的具體應用情況來實現其功能。

CAN總線在采掘設備控制系統的主要功能為設備工作時的各項狀態參數的實時顯示。采掘設備在工作過程中，采掘設備的工作狀態通過分布于不同部位的若干個傳感器進行監測，傳感器將監測到的狀態發送給主控制器，主控制器通過CAN總線將數據傳輸給顯示模塊，顯示模塊將狀態信息實時顯示，操作人員通過觀察顯示模塊了解采掘設備工作狀態，提高工作效率。

1 CAN總線組成與功能

CAN總線的節點由兩部分組成：主控制器模塊和CAN收發器模塊。主控制器模塊主要用于電氣系統數據的采集、處理和控制以及與外部設備通訊等。通過規定好通信協議實現與外部設備通訊時數據鏈路層的傳輸；CAN收發器模塊是一個硬件接口，能夠提高主控制器與CAN總線之間的驅動能力。目前常見的電氣系統CAN總線設計思路為將主控制器模塊和CAN收發器模塊組合，或者直接使用帶有CAN收發器模塊的微型控制器。

CAN總線在采掘設備電氣控制系統方面的應用較多，由于其強大的可靠性使其成為應用最多的現場總線之一。當線路的傳輸距離達到10Km時，通訊速率仍可達到50kbps，在國外很多工業控制領域，CAN總線及其相關協議已經成為具有通用性的標準總線，隨著時代的進步和采掘設備自動化技術的需求，針對CAN總線的通訊能力也有了進一步的需求，那就是在保持其高可靠性和高通訊速率的前提下，還需適應煤礦井下的惡劣現場環境和采掘設備工作時機身振動大的使用工況。

CAN總線的硬件通信線路是由CAN-H和CAN-L組成，CAN-H和CAN-L構成CAN通訊網絡的總線。通訊網絡中所有的節點都掛接在該總線上，并且都通過這兩條線纜交換數據。

2 CAN總線在采掘設備狀態監測系統的設計

隨著煤礦井下采掘設備自動化技術的發展，針對采掘設備的關鍵部件和整個液壓系統的保護功能越來越多，為了實現上述功能，采掘設備電氣系統通過在相應位置布置傳感器，檢測傳感器數據來對相應部位進行控制和保護。總的來說，采掘設備的電氣系統可以分為控制保護回路部分、顯示器部分和主回路控制部分三個部分。CAN總線監測原理圖如圖1所示。

圖1 CAN總線監測原理圖

2.1 采掘設備電氣監測系統設計

采掘設備電氣系統的控制保護回路部分進行設備電氣狀態監測的工作，控制保護回路部分主要由主控制構成，主控制用于監測采掘設備工作狀態并將信息發送給顯示器進行顯示。

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作為從站，主控制器、顯示器和主回路控制系統的波特率統一設置為250kbit/s，數據通訊時按照規定好的通訊協議通過PDO報文的形式進行交互。主回路控制系統將控制信號發給主控制器后控制主回路電機的啟停；顯示器將主控制發送的采掘設備的狀態參數和故障狀態接收后，通過顯示器內部程序將這些信息通過圖標或文字的形式顯示出來。

2.2 采掘設備狀態監測系統設計

采掘設備的主控制器、主回路控制系統和顯示器系統通過CAN總線方式通訊，這三個系統都有各自獨立的CAN收發接口能夠完成各自的數據監測、系統控制和通訊功能，主控制器實時監測傳感器數據、各執行器工作狀態和故障保護狀態，并通過CAN總線與顯示器通訊，實時將監視數據進行顯示。

主控制器和顯示器及主回路控制系統的程序設計要符合系統工作原理、傳感器數據的顯示要符合現場工況、故障保護的執行要符合系統邏輯關系。設計程序時采用模塊化、系統化思路，模塊化、系統化的程序設計思路有利于后續系統的調試和升級。采掘設備的狀態監測系統主要是通過主控制器實時的監測安裝在采掘設備上的各個傳感器、執行器和控制保護系統的狀態和信號，通過程序對這些狀態和信號分析處理后，通過CAN總線報文的形式發送到總線上，顯示器和主回路控制系統通過總線上的變量狀態進行狀態的顯示和相應的控制。

結語：本文設計了以CAN總線為基礎的采掘設備狀態監測系統，通過對采掘設備電氣系統進行分析。設計采掘設備的CAN總線主從通訊方式的實時監視和控制系統，通過試驗驗證，本文設計的狀態監測系統具有較高的可靠性和實時性。