CAN 總線在礦用采掘裝備電控系統(tǒng)上的應(yīng)用與發(fā)展*

許連丙

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室，太原 030006）

0 引言

在信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、采煤及掘進(jìn)工藝持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展的良好態(tài)勢以及礦用采掘裝備自動化、智能化水平要求不斷提高的態(tài)勢下，“單一集中” 的電控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足礦用采掘裝備發(fā)展的要求，“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的設(shè)計理念正在逐步取代“單一集中” 的設(shè)計理念成為礦用采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 采掘裝備電控系統(tǒng)需要配置大量的智能化水平較高的傳感器以及執(zhí)行部件，這些傳感器、執(zhí)行部件與裝備控制器之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，利用傳統(tǒng)的“單一集中” 的設(shè)計理念實現(xiàn)裝備控制器與傳感器之間的電氣及信息聯(lián)系，將產(chǎn)生大量的線束并且不利用裝備可靠性的提高。CAN總線的應(yīng)用為采掘裝備電控系統(tǒng)實現(xiàn)裝備控制器與傳感器、執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實現(xiàn)“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 采掘裝備電控系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 CAN總線介紹

CAN總線是控制器局域網(wǎng)（Control Area Network）的簡稱，于20 世紀(jì)80年代由德國BOSCH公司為解決控制器之間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行總線，其最初是專用于汽車領(lǐng)域，隨著CAN總線技術(shù)的發(fā)展，逐漸向其他的領(lǐng)域滲透，到目前為止，CAN總線技術(shù)已成功應(yīng)用于汽車、重卡、船舶、航空、煤礦等眾多領(lǐng)域［1］。

1.1 CAN總線組成

CAN總線的通訊線路由CANH和CANL組成，通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或者是光纖等，并支持所有CAN通訊設(shè)備掛在同一條總線上，實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換和共享，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)［1］。

1.2 CAN總線的技術(shù)優(yōu)勢

CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性。與MODBUS、PROFIBUS等通訊總線相比有著眾多獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢：（1）多主總線，同一條總線上的節(jié)點(diǎn)可以隨時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，不分主次；（2）采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個或者多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)不受到影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，有效避免總線沖突；（3）采用短幀結(jié)構(gòu)，有效降低數(shù)據(jù)在傳輸中受外部影響的可能性，提高了總線的抗干擾能力；（4）采用CRC校驗方式，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤概率，提高總線運(yùn)行的可靠性；（5）可以實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對點(diǎn)或者一對多等數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸方式靈活；（6）具有遠(yuǎn)距離傳輸能力，CAN總線的直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（速率5 kb／ s以下）［2－3］。

2 CAN總線在礦用采掘裝備上的應(yīng)用

CAN總線在煤礦中的應(yīng)用已相當(dāng)普及，不論是煤礦的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)還是輔助運(yùn)輸車輛的監(jiān)控裝置，又或者是服務(wù)于生產(chǎn)一線的采掘裝備的電控系統(tǒng)等設(shè)備都可以看到CAN總線影子。

2.1 CAN總線在掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)上的應(yīng)用

圖1 所示為掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)框圖，由圖可知掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)主要由主電控箱、操作箱、顯示箱、遙控接收機(jī)箱、電機(jī)、傳感器等組成，其中主電控箱與顯示箱、操作箱、遙控接收機(jī)箱之間都是采用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，主電控箱與外部傳感器（電機(jī)溫度、油溫、油位等）之間仍然采用硬連接線實現(xiàn)模擬量信號的傳輸。

圖1 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)

圖2 所示為掘進(jìn)機(jī)主電控箱電氣原理圖，由圖可知在掘進(jìn)機(jī)的主電控箱內(nèi)配置有整個電控系統(tǒng)的核心PLC，而PLC 與智能電流互感器、PLC與電控箱外部總線設(shè)備之間都是通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 掘進(jìn)機(jī)主電控箱原理

另外CAN總線還應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)器［4］、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［5］、無線遙控系統(tǒng)［6］、實時監(jiān)控系統(tǒng)［7］等掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的方方面面。

2.2 CAN總線在連采機(jī)的應(yīng)用

郭光輝等［8］成功將CAN總線應(yīng)用于上海創(chuàng)立的連采機(jī)電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)采用CAN總線通訊技術(shù)作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的通道，實現(xiàn)了信息的集中監(jiān)測、傳輸、控制以及數(shù)據(jù)共享，易于功能擴(kuò)展，減少了線束，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，有較強(qiáng)的抗干擾和現(xiàn)場適應(yīng)能力。

上海創(chuàng)立的EML360 連采機(jī)電控系統(tǒng)由牽引電控箱、斷路器箱、操作箱、顯示箱、截割電控箱共5 個電控箱組成，每個電控箱依據(jù)整機(jī)需要分布在連采機(jī)的不同位置，其中牽引電控箱、操作箱、顯示箱以及截割電控箱之間采用CAN總線實現(xiàn)整機(jī)的數(shù)據(jù)連接及交換。牽引電控箱內(nèi)部設(shè)置有牽引控制PLC，PLC與牽引變頻器之間采用開關(guān)量的形式實現(xiàn)對牽引變頻器的控制。另外上海創(chuàng)立的EML360 連采機(jī)截割電控箱內(nèi)部對截割電機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)電機(jī)以及油泵電機(jī)的控制回路中并沒有采用基于CAN總線的智能電流傳感器，而是采用了模擬量輸出的電流傳感器，這樣的設(shè)計方式將造成電控箱內(nèi)部線束、故障點(diǎn)增多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差等問題［9］。

山西天地煤機(jī)的EML340 型連采機(jī)與上海創(chuàng)立的EML360連采機(jī)電控系統(tǒng)相比，其將CAN總線應(yīng)用的更加充分，山西天地煤機(jī)連采機(jī)電控系統(tǒng)中多個電控箱之間采用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，截割電控內(nèi)每個電機(jī)控制回路都采用了CAN總線的智能電流傳感器，降低了PLC對模擬量采集口數(shù)量的要求，另外在牽引變頻器箱內(nèi)采用的基于CAN 總線的四限象牽引變頻器，牽引PLC通過CAN總線接收來自截割電控箱的控制命令，并同時以CAN通訊的形式將命令傳輸?shù)綘恳冾l器，實現(xiàn)對連采機(jī)牽引系統(tǒng)的控制。

2.3 CAN總線在采煤機(jī)上的應(yīng)用

采煤機(jī)工作于綜采工作面，體型龐大，控制對象繁多，電控系統(tǒng)復(fù)雜，另外由于控制對象分布在采煤機(jī)的不同位置，采用“單一集中” 的設(shè)計理念，將增加整個電控系統(tǒng)的設(shè)計難度，同時給整機(jī)的電纜布置帶來困難，對系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性造成影響。

基于CAN總線的采煤機(jī)電控系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)及連采機(jī)電控系統(tǒng)相類似，整個電控系統(tǒng)主要由主控箱、顯示箱、操作箱、遙控接收箱、牽引電控箱等組成，控制對象主要是電機(jī)電磁閥、變頻器等，各個電控箱之間采用CAN 總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)及控制的傳輸。

CAN總線在采煤機(jī)上的應(yīng)用不僅僅局限于電控系統(tǒng)，另外采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制及故障診斷，采煤機(jī)牽引變頻器檢測系統(tǒng)等方面也有CAN總線的相關(guān)應(yīng)用［10－12］。

3 CAN總線對采掘裝備發(fā)展的影響

3.1 CAN總線對采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的影響

采掘裝備通過CAN總線的應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)了電控系統(tǒng)的“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布”，解決了采掘裝備多電控箱優(yōu)化布置的問題，然而從CAN總線的優(yōu)勢及其在地面車輛應(yīng)用的發(fā)展來看，CAN總線在采掘裝備電控系統(tǒng)的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此基于CAN總線“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的采掘裝備電控系統(tǒng)也僅僅只是采掘裝備CAN總線應(yīng)用的開端，而其后續(xù)的應(yīng)用及發(fā)展應(yīng)該參考地面智能車輛CAN總線的使用水平從電控系統(tǒng)整體、傳感器、電液控等方面建立起適合礦用采掘裝備的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)。

3.2 CAN總線對采掘裝備電控系統(tǒng)功能模塊發(fā)展的影響

采掘裝備電控系統(tǒng)功能模塊的概念由來已久，并且隨著電子元器件及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其實現(xiàn)形式也在不斷發(fā)生變化，以采掘裝備電控系統(tǒng)的綜合保護(hù)器為例，第一代綜合保護(hù)器設(shè)計之初是為了實現(xiàn)對所有控制電機(jī)的過熱保護(hù)，輸入為PT100熱電阻信號，輸出為開關(guān)量信號，輸入與輸出之間利用運(yùn)算放大器及比較器等模擬電路實現(xiàn)信號的變換，缺點(diǎn)是控制精度差，只能反映故障狀態(tài)卻不能表現(xiàn)故障形成的過程；第二代綜合保護(hù)器與第一代相比，變化的核心是輸入輸出之間信號的變換形式，利用單片機(jī)等控制芯片對熱電阻信號進(jìn)行采集、計算得到相對應(yīng)的溫度值，然后通過邏輯判斷輸出相應(yīng)的故障開關(guān)量，優(yōu)勢是可以通過程序修改判斷的比較閾值，而不必頻繁修改硬件電路；第三代綜合保護(hù)器是基于通訊總線技術(shù)的產(chǎn)物，與前兩代產(chǎn)品相比，保護(hù)器的輸出信號不再是開關(guān)量，而是數(shù)據(jù)，其自身不僅具有數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷等功能，同時還可以通過總線的形式將實時采集的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，甚至對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時保存。目前采掘裝備電控系統(tǒng)綜合保護(hù)器的通訊形式一般有CAN和MODBUS兩種形式，但隨著CAN 總線技術(shù)在采掘裝備應(yīng)用的不斷深入，基于CAN總線的采掘裝備綜合保護(hù)器的應(yīng)用將更加廣泛，并朝著精確化、智能化的方向發(fā)展。

3.3 CAN總線對采掘裝備工頻控制回路發(fā)展的影響

采掘裝備工頻控制回路的作用是通過控制接觸器的吸合與釋放間接控制電機(jī)的運(yùn)行與停止，其一般由PLC、接觸器、阻容吸收、電流傳感器、電機(jī)漏電閉鎖保護(hù)模塊等組成，工作原理是電機(jī)啟動時PLC通過開關(guān)量控制漏電閉鎖模塊對電機(jī)的漏電狀態(tài)進(jìn)行檢測，當(dāng)電機(jī)無漏電情況時，PLC 取消對漏電閉鎖模塊的漏電檢測控制繼而通過控制接觸器吸合線圈來控制接觸器吸合，同時PLC對電流傳感器的信號進(jìn)行采集計算得到相對應(yīng)的電機(jī)電流值，然后利用電流值進(jìn)行判斷從而得出過流、過載、短路、缺相、粘連等故障，并依據(jù)故障情況對接觸器進(jìn)行控制。

圖3 所示為采掘裝備工頻控制回路的3 種實現(xiàn)形式，3 種實現(xiàn)形式相比，前兩種的最大區(qū)別在于電流傳感器，第一種為模擬量輸出的電流傳感器，而第二種為基于CAN總線的電流傳感器，從系統(tǒng)配置上兩種實現(xiàn)形式并沒有太大的區(qū)別，但從對PLC的要求及電控箱裝配難度上來說，第二種實現(xiàn)形式降低了對PLC的硬件要求并減少了PLC與傳感器之間的線束，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。第三種實現(xiàn)形式中采用智能電機(jī)保護(hù)裝置，智能電機(jī)保護(hù)裝置將控制工頻回路所需要的阻容吸收裝置、真空接觸器、電流傳感器、漏電閉鎖保護(hù)模塊進(jìn)行了整合，而與PLC之間只留有CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。智能電機(jī)保護(hù)裝置具有原工頻控制回路所有的保護(hù)功能，除此之外，它還具有電壓檢測判斷功能，彌補(bǔ)了原工頻控制回路只能依據(jù)電流情況判斷各種運(yùn)行故障的缺陷，使檢測更精確，邏輯判斷更準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠性更高，工況適用性更好，設(shè)計更簡單。

圖3 采掘裝備工頻回路控制原理

目前對于智能電機(jī)保護(hù)裝置的研究國內(nèi)、外均沒有相關(guān)的文獻(xiàn)資料及產(chǎn)品應(yīng)用，但隨著采掘裝備電控系統(tǒng)智能化要求的提高，智能電機(jī)保護(hù)裝置的研究與應(yīng)用將是采掘裝備工頻控制回路發(fā)展的趨勢。

3.4 CAN總線對礦用傳感器智能化發(fā)展的影響

采掘裝備電控系統(tǒng)是由整車分布的電控箱及外部傳感器組成，傳感器負(fù)責(zé)對整機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行采集，并將相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成PLC可識別和采集的模擬量信號，進(jìn)而為整機(jī)的控制提供參考依據(jù)。圖4 所示為目前采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集方法的拓?fù)鋱D。

圖4 傳統(tǒng)傳感器采集拓?fù)鋱D

圖5 所示為基于CAN總線的采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集的拓?fù)鋱D。基于CAN 總線的采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集利用CAN 網(wǎng)絡(luò)組建了PLC與傳感器之間數(shù)據(jù)傳輸通道，PLC 與傳感器之間不再是點(diǎn)對點(diǎn)的關(guān)系，而是并網(wǎng)級聯(lián)的關(guān)系，這樣的設(shè)計方式不僅僅降低了電控系統(tǒng)對PLC 必須具備模擬量采集功能要求，同時也大大簡化了電控系統(tǒng)的設(shè)計。

圖5 智能傳感器采集拓?fù)鋱D

采掘裝備傳感器智能化實現(xiàn)的基礎(chǔ)是傳感器首先具有邏輯判斷能力，其次要具有通訊總線的數(shù)據(jù)傳輸能力，目前具有CAN總線傳輸能力的各種傳感器在地面已經(jīng)有大量的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，尤其是智能汽車應(yīng)用方面，但礦用基于CAN總線的智能傳感器產(chǎn)品還不多見，分析原因主要是因為礦用產(chǎn)品采用先進(jìn)技術(shù)的滯后性造成，隨著礦用裝備自動化及智能化要求的不斷的提高，基于CAN總線的礦用智能傳感器的數(shù)量和種類將會越來越多。

3.5 CAN總線對智能集控閥組發(fā)展的影響

CAN總線的應(yīng)用不僅為采掘裝備電控系統(tǒng)的設(shè)計帶來了便利，同時也為液壓系統(tǒng)的集控提供了方便。智能集控閥組將電磁閥與總線控制相結(jié)合，其內(nèi)置了位置、流量、壓力等多種傳感器，閥組本身集成了信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信號偏差補(bǔ)償、邏輯判斷、PID閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)裙δ?，與傳統(tǒng)意義上的電磁閥相比，智能集控閥組控制更智能、使用更集中、維護(hù)更方便。

目前集控閥組在礦用采掘裝備液壓系統(tǒng)的應(yīng)用已有很多成功案例，但由于礦用智能集控閥組牽涉到數(shù)據(jù)總線、電氣控制、煤礦安全準(zhǔn)入等問題，其應(yīng)用存在滯后性。

3.6 CAN總線對礦用采掘裝備執(zhí)行部件發(fā)展的影響

采掘裝備位于煤礦采掘工作面的最前沿，外控執(zhí)行部件眾多。以聲光語音報警裝置為例，聲光語音報警裝置是采掘裝備常用的的一種安全警示設(shè)備，隨著采掘裝備安全生產(chǎn)要求的不斷提高，采掘裝備對聲光語音報警裝置的要求也在不斷提高，尤其表現(xiàn)在聲光語音報警裝置報警語音的數(shù)量上，目前采掘裝備常用的語音報警裝置以開關(guān)量控制居多，這就造成當(dāng)系統(tǒng)要求語音數(shù)量增多時，報警裝置的控制線也將增多，這對采掘裝備電控系統(tǒng)設(shè)計帶來很大的麻煩。

基于CAN總線的聲光語音報警裝置將是礦用語音報警裝置發(fā)展的趨勢，其以4 根線（2 根電源線、2 根通訊線）的代價解決了語音報警裝置用控制線數(shù)量換取語音報警數(shù)量的難題，目前基于總線控制的語音報警裝置已有相關(guān)文獻(xiàn)及成功引用案例，但大多是基于MODBUS 總線的設(shè)備，而基于CAN 總線的產(chǎn)品還沒有相關(guān)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

（1）本文提出了“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的基于CAN 總線的礦用采掘裝備電控系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）簡述了礦用采掘裝備電控系統(tǒng)CAN總線的應(yīng)用現(xiàn)狀及后期的發(fā)展方向。

（3）詳細(xì)說明了CAN 總線對采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的影響。