基于CAN總線的掘進機狀態監測系統研究

郗燕杰，范柄堯

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 043300；2.中國煤炭科工集團太原研究院,山西 太原 030006）

隨著煤礦井下懸臂式掘進機電氣控制技術的逐步成熟應用，對電氣系統的技術要求也逐漸提高，掘進機電控系統需要在有限的結構空間下具備更加完備的數據采集、信號處理功能以及與之配對的豐富的通信接口。而CAN和CANopen通訊網絡具有分布式實時控制和并行處理數據等優點，并且CAN總線技術還具有數據傳輸距離遠，傳輸速率快等優點，因此CAN總線技術除了在工業控制和汽車控制系統具有較為廣泛的使用外，在煤礦井下是電氣系統設備里也廣泛應用。

1 CAN總線功能及簡介

基于CAN總線的掘進機的控制系統主要功能為：掘進機狀態參數的實時顯示和掘進機控制回路的實時控制功能。掘進機實際生產工作中，通過布置在掘進機上的傳感器采集掘進機工作狀態，然后將數據傳輸到CAN總線上的顯示器進行顯示，工人根據顯示的狀態信息進行掘進機的控制，控制時將控制信號傳輸到CAN總線上的電磁閥進行控制。

掘進機CAN總線的節點由傳感器、控制器、顯示器和電磁閥控制器等電子器件組成。這些電子器件的作用主要是數據信息的采集、處理和輸出。根據通信協議可完成物理層和數據鏈路層的通訊。電子器件必須具有CAN收發器，CAN收發器是物理總線之間的接口，節點組成的原理如圖1所示。

圖1 CAN總線節點組成原理圖

2 總體系統設計

懸臂式掘進機由各種機械結構搭接、液壓系統連接各個結構，通過電氣系統執行動作，為了實現掘進機各個執行機構穩定動作并了解關鍵部件的狀態運行信息，通過在掘進機上布置相關的傳感器，利用電控系統實現對這些運動機構的監測和保護。對于一臺掘進機，電氣控制系統包括控制回路、數據監測回路和顯示回路3個部分。

2．1 掘進機電氣監測系統設計

控制回路主要由控制器構成，控制器的CAN接口主要與掘進機上的操作箱、顯示器進行CAN總線通訊。整套系統的通訊方式為一主多從的通訊方式，其中控制回路的控制器是主站，操作箱和顯示器是從站，主站和從站通過PDO報文的形式來實現數據間的交互傳遞，其中主站和從站的波特率設置一致即可，為保證通訊效率，一般為250kbit/s。

數據監測回路主要由各類傳感器構成，主要監控掘進機工作時的狀態信息。傳感器主要完成數據的采集，控制系統收到傳感器數據后完成對數據的分析和處理，最后給出是否存在故障的判斷，然后將數據發送給顯示屏進行顯示。

顯示回路主要由中文液晶屏構成，液晶屏通過CAN總線與控制器通訊，快速地交互信息，顯示控制器處理后的傳感器數據、掘進機工作狀態數據和參數設定等數據。

2．2 掘進機的工作過程

掘進機送電之后，首先對自身電機和傳感器狀態進行自檢驗，具備啟動條件之后設備可以運行，否則液晶屏通過CAN總線接收控制器發送的不能運行的數據進行顯示，待操作人員將故障處理后即可運行設備。掘進機運行時，控制回路通過控制繼電器控制相應電機的啟停；電機啟動后實時監測電機運行狀態，對電機的缺項、過流、過載和過熱等故障進行實時監測和故障診斷顯示。其中針對掘進機的主回路的故障保護包括過載、缺項和斷相等情況，這種情況下應該立即停止工作并處理故障。掘進機工作過程示意如圖2所示。

圖2 掘進機工作過程示意圖

2．3 實時方案設計

掘進機狀態監測系統的各個部件系統各自獨立，通過CAN總線進行設備間數據的連接和通訊，如下圖所示。傳感器、控制器和執行器各自獨立，每個CAN節點都可以完成監測和數據交互功能。CAN總線監測原理如圖3所示。

圖3 CAN總線監測原理圖

3 結語

本文介紹了懸臂式掘進機的工作流程和系統組成，針對掘進機工作過程設計了基于CAN總線的電氣監測系統，通過設計掘進機的運行狀態監控系統，實現了對掘進機的實時在線數據采集和處理功能，使得掘進機電氣系統功能更加完善。