基于CAN現(xiàn)場總線的煤礦非用即停電源控制裝置設(shè)計

龔柏宇 馬偉 陳志峰 郭輝 徐立軍

摘? 要：煤礦設(shè)備在停止工作時電源系統(tǒng)依然待電，使得供電線路處于有電狀態(tài)，存在電氣安全風(fēng)險。鑒于此，利用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)在煤礦井下設(shè)備停止運行時上級電源立即停電，設(shè)備啟動工作時電源立即送電，做到了上級電源非用即停、用電即送。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線;非用即停;用電即送;電源控制

0? ? 引言

隨著煤礦機械化、自動化設(shè)備的廣泛使用，煤炭生產(chǎn)效率有了很大提高，煤礦噸煤耗電量及電氣設(shè)備使用量也增加很快，由于井巷空間狹小、潮濕、巖石及設(shè)備擁擠，煤礦供電線路及設(shè)備漏電、人體觸電、電火花引起瓦斯爆炸等風(fēng)險增加。

目前，煤礦井下主要采用漏電保護裝置防范線路及設(shè)備漏電事故，從原理上講屬于被動式保護，由于漏電保護裝置動作影響因素比較多，在強電磁干擾環(huán)境下及接地電阻變化的條件下，漏電保護裝置誤動作現(xiàn)象時有發(fā)生，漏電保護裝置不能可靠地防止漏電引起的井下供電安全事[1]。根據(jù)工作性質(zhì)的不同，煤礦井下供電線路和設(shè)備有約1/3時間是處于設(shè)備暫停、供電線路待電狀[2]。由于煤礦井下工作空間狹小，巷道中大量的帶電線路及設(shè)備必然增加人體觸電、設(shè)備漏電、出現(xiàn)短路火花甚至導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的風(fēng)險;同時，線路和設(shè)備長期帶電也縮短了其使用壽命。鑒于此，本項目就從源頭降低觸電風(fēng)險，提高煤礦井下供電可靠性進行了分析研究。

為解決上述技術(shù)問題，項目組應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的主動式用電安全保護裝置——煤礦非用即停電源控制裝置，獲得國家發(fā)明專利，專利號：ZL 2013 1 0516475.1。

1? ? 煤礦非用即停電源控制裝置工作原理

煤礦非用即停電源控制裝置主要根據(jù)CAN現(xiàn)場總線的低電壓、抗干擾、高可靠、遠距離數(shù)據(jù)通信特性，進行負載與電源之間的數(shù)據(jù)傳輸及控制?？刂葡到y(tǒng)示意圖如圖1所示，控制裝置由負載控制器、電源控制器組成。

（1）負載控制器：負責(zé)控制信號的發(fā)送及接收。安裝在負載磁力啟動器內(nèi)，由本安型電池供電，包括控制模塊、啟動按鈕和停止按鈕;啟動按鈕與負載磁力啟動器的啟動開關(guān)并聯(lián)且機械隨動，停止按鈕與負載磁力啟動器的停止開關(guān)串聯(lián)且機械隨動;負載控制器在啟動（停止）按鈕按下時發(fā)出啟動（停止）信號，通過現(xiàn)場總線傳輸至電源控制器，發(fā)出啟動（停止）信號，如圖1所示。

（2）電源控制器：安裝在電源開關(guān)箱內(nèi)，與負載控制器通過CAN現(xiàn)場總線連接，在設(shè)備啟動時，負載控制器發(fā)出啟動信號，通過微處理器轉(zhuǎn)變?yōu)镃AN現(xiàn)場總線規(guī)定的信號，經(jīng)過總線網(wǎng)絡(luò)，電源控制器接收啟動信號，通過微處理器處理，輸出控制信號，驅(qū)動電源開關(guān)閉合，對負載輸出動力電流。

在設(shè)備停止時，按下負載磁力啟動器停止開關(guān)，負載控制器向電源控制器發(fā)出停止信號，經(jīng)過總線傳輸，電源控制器接收到信號，控制電源開關(guān)跳閘，斷開電源開關(guān)電源。

本設(shè)計使得煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備停運時，供電線路即時停電，生產(chǎn)設(shè)備啟動時，電源線路即刻供電，實現(xiàn)了電源的非用即停，供電方式由過去的被動式供電轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃颖Ｗo型按需供電，可以提高供電安全程度，減少漏電事故的發(fā)生;同時也降低了電源的冗余成本，減少了供電系統(tǒng)的待機功耗。

負載控制器通過CAN現(xiàn)場總線與電源控制器進行網(wǎng)絡(luò)通信，在煤礦中要求控制系統(tǒng)滿足本質(zhì)安全條件，要求信號電壓低、抗干擾、遠距離傳輸。微處理器PIC18F458內(nèi)部具有CAN模塊，CAN現(xiàn)場總線可以在煤礦較大噪聲環(huán)境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。利用PIC18F458作為通信驅(qū)動器在負載控制器和電源控制器之間進行雙向、串行、多節(jié)點的數(shù)字通信，完成煤礦巷道設(shè)備之間的數(shù)據(jù)遠程通信及邏輯控制[3]。

裝置還可實現(xiàn)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中大范圍、長距離、多點互動的供電閉鎖、風(fēng)電閉鎖、瓦斯電閉鎖、順序控制等功能，具有遠程控制（控制距離可達10 km）、定時控制、過載、過熱、短路、過壓、漏電自動遠程斷電以及用電量信息上傳等智能化功能。

2? ? CAN總線控制電路分析

如圖2所示，負載控制器電路的核心是微芯公司的微處理器PIC18F458，其工作過程是：負載控制器發(fā)出控制信號，輸入微處理器PIC18F458，經(jīng)過PIC18F458內(nèi)部的CAN模塊編碼，向微芯公司的功率驅(qū)動放大器MCP2551發(fā)出符合CAN通信協(xié)議的信號，信號經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸線輸入電源控制器。

電源控制器與負載控制器結(jié)構(gòu)原理類似，在接收到負載控制器信號后，在PIC18F458的CAN模塊進行解析，輸出控制信號，驅(qū)動電源開關(guān)動作?？刂破鞯幕緟?shù)和通信數(shù)據(jù)通過MAX232串口通信芯片在顯示終端LCD進行顯示。裝置采用本安電池作為供電電源，分別為微處理器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信提供電壓。根據(jù)通信線路長短，制定通信速率，在1 Mbps/40 m和5 kbps/10 km之間[4]。

3? ? 結(jié)語

本文針對煤礦井下安全供電存在的普遍問題進行研究，應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計了煤礦井下非用即停電源控制裝置，解決了煤礦井下主動式用電安全保護問題，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。

[參考文獻]

[1] 王興棟，王軍領(lǐng).煤礦井下高壓供電線路漏電故障預(yù)防和檢查[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（19）：77.

[2] 許鵬.煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)存問題分析與解決對策研究[J].機電工程技術(shù)，2018，47（6）：146-147.

[3] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 劉和平，劉釗，鄭群英，等.PIC18Fxxx單片機程序設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

收稿日期：2020-07-03

作者簡介：龔柏宇（1978—），男，湖南瀏陽人，工程師，研究方向：煤礦機電及現(xiàn)場總線技術(shù)。