CAN總線技術在礦用防爆開關中的應用

王晉鳳

（太原理工大學機械工程學院，山西省太原市，030024）

CAN總線技術在礦用防爆開關中的應用

王晉鳳

（太原理工大學機械工程學院，山西省太原市，030024）

針對目前礦用防爆開關的現狀，設計了將CAN總線技術和工業以太網技術應用于礦用防爆開關的控制系統。系統的實現提高了礦用防爆開關的保護和控制水平，簡化了開關的布線，增強了其運行過程的抗干擾能力，實現了網絡操作、監控和遠程故障診斷能力。

CAN總線 工業以太網 礦用防爆開關

傳統的礦用防爆開關大都采用模擬繼電器電路或可編程控制器控制，這樣的控制模式一般都采用電氣接點來傳遞控制信號，所需的控制線路多而復雜。由于礦用防爆開關要求體積盡量小，這就給開關的布線和日常的維修保養帶來了較大困難。同時，隨著礦井自動化程度不斷的提高，礦井的數字化建設也越來越重要，煤礦井下傳統的開關由于沒有數字化的通信功能，這給礦井數字化升級組網等帶來一定的難度。因此，研究高性能的網絡化礦用開關系統具有重要的現實意義和重大的經濟價值。本文結合CAN總線技術、工業以太網技術、傳感器技術以及自動控制技術設計了基于CAN總線技術的礦用隔爆型開關控制系統取代當前功能單一的電氣開關控制系統，實現開關的分散管理、遠程監控和遠程故障診斷，大大提高生產管理效益。

本控制系統采用具有TCP／IP協議的以太網接口進行數據遠程傳輸，開關內部各部件的監控則采用CAN總線與主控制器進行數據傳輸。

1 CAN總線技術的特點

CAN屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之RS－485線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統具有結構簡單、可靠性高、完成對通信數據的成幀處理、網絡內的節點個數在理論上不受限制、可在各節點之間實現自由通信以及內部集成了錯誤探測和管理模塊等特點。

CAN總線是已形成國際標準的現場總線，也是最有前途的現場總線之一。CAN總線具有傳輸實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低、檢錯能力強等優點。多個控制模塊通過CAN控制器掛到CAN－bus上可以形成多主機局部網絡，可靠的錯誤處理和檢錯機制在檢測到發送的信息遭到破壞后自動重發，節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。

2 礦用防爆開關的現狀

目前我國煤礦井下的防爆開關應用非常廣泛，額定電流從幾十安到幾百安，電壓等級主要有380V、660V、1140V、3300V、6000V、10000V等。普遍采用模擬繼電器電路控制或PLC控制開關量和模擬量，均有控制和反饋接點以及過壓、欠壓、過流、過載、短路、缺相、相不平衡、漏電閉鎖等保護，并具有一定的工作參數顯示和故障狀態顯示功能。其內部數據交換采用開關量和模擬量形式，具有控制線路數量龐大、復雜、布線困難、不易維護以及抗干擾能力較弱等缺點，而且運行狀態和故障狀態等信息不易上傳至地面，無法實現遠程控制，不能滿足數字化礦井建設的要求。

3 基于CAN總線技術的開關控制系統

針對目前礦用防爆開關的現狀及煤礦安全及數字化礦井的要求，將CAN總線技術應用于開關的控制系統，采用TCP／IP網絡協議進行數據的遠程傳輸，而開關內部則采用CAN總線協議進行通信，建立友好的人機界面便于顯示與操作，實現準確可靠的保護。采用光纖傳輸提高數據遠程傳輸的抗干擾性和通信距離，實現遠程監控和遠程故障診斷。基于CAN總線技術的礦用防爆開關控制系統組成如圖1所示。

3.1 礦用防爆開關控制系統硬件實現

3.1.1 主控制器

采用ARM9芯片和大屏幕LCD彩色顯示器組成主控制器，主要完成控制系統設定、控制、顯示、記錄、信息處理及傳輸功能。主控制器具有圖形顯示界面，可顯示各分控部件運行狀態及故障狀態信息。采用工業以太網實現遠程工作狀態設定、遠程監控及遠程故障診斷，能夠適應礦用防爆開關設備網絡化的發展需要。采用CAN總線協議與開關內部各部件控制器進行通信，可現場或遠程向各分控部件發送工作狀態設定數據、保護設定數據及控制命令數據，接收各分控部件的運行狀態及故障參數等數據。主控制器硬件結構圖如圖2所示。

3.1.2 部件控制器

礦用防爆開關內部的每一個需要檢測和控制的部件均需要一個部件控制器來對其運行狀態進行在線檢測和控制。部件控制器采集各部件的運行參數、運行狀態及故障狀態等信息，通過CAN總線接口與主控通信，將部件運行參數、狀態及故障信息傳輸到主控制器并接收主控制器的控制命令。本設計采用具有16路12位高速AD采集口的DSP芯片控制CAN總線控制器SJA1000，通過CAN總線收發器82C250實現各種數據對主控制器的發送和接收，可滿足實時性及準確性的要求。部件控制器的硬件結構圖如圖3所示。

圖3 部件控制器結構圖

本設計有隔離換向開關檢測模塊、真空接觸器檢測控制模塊和綜合保護器檢測控制模塊3個部件控制器，隔離換向開關檢測模塊主要完成隔離換向開關觸點接觸可靠性和三相交流電的相序的檢測并上報給主控制器。真空接觸器檢測控制模塊主要完成真空接觸器的真空粘連檢測及分合狀態檢測并上報給主控制器，同時接收主控制器的分合命令并執行。綜合保護器檢測控制模塊主要完成接收主控制器傳來的工作狀態及保護設定數據，并進行主回路工作電壓和電流的數據采集，實現過壓、欠壓、過流、過載、短路、缺相、相不平衡、漏電閉鎖等保護，同時將工作狀態及故障信息等數據上報給主控制器。

3.2 礦用防爆開關控制系統軟件實現

主控制器采用ARM9系列芯片作為主控制芯片，其軟件流程圖見圖4。部件控制器采用DSP芯片作為主控制芯片，3個部件控制軟件流程圖分別見圖5、圖6、圖7。

4 技術分析

本文設計的礦用防爆開關控制系統采用ARM9系列芯片及DSP芯片，應用了CAN現場總線技術、工業以太網技術、傳感器技術及自動控制技術，適用于煤礦井下交流50Hz、電壓1140V和3300V供電系統。CAN現場總線數據傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，并采用CRC校驗及其它檢錯措施，出錯率極低。CAN現場總線結構簡單，各分控部件之間的連線只需兩條線，信號傳輸的往返次數減少，提高了開關控制系統的可靠性，減少了礦用防爆開關內部控制線的數量，簡化了設備內部布線。工業以太網的應用使礦用防爆開關的遠程監控和遠程故障診斷功能得以實現。本控制系統的技術特點為：

（1）控制系統應用了全數字化的處理、控制和保護、液晶中文顯示以及故障自診斷技術，使用了具有先進嵌入式技術的ARM9芯片、TCP／IP網絡協議通信和CAN現場總線技術，控制軟件的設計靈活多樣確保了開關滿足現代化煤礦生產的需要。

（2）控制系統軟件采用了模塊化結構和冗余編程技術，模擬信號的處理采用高速采樣并經過自適應濾波和數字化處理，消除了煤礦井下復雜環境中可能存在的干擾，系統還能對測量傳感器的輸入信號進行自動修正，具有較強的檢錯能力和抗擾動能力。

（3）開關具有自診斷功能，其控制系統采用集散型分布控制拓撲的結構，每個分控模塊均具有自診斷功能，確保了控制系統運行的安全性和可靠性，其故障信息可以長期記憶并查詢。

5 結論

本文設計的礦用防爆開關具有體積小、控制線數量少、接線簡單、事故點少、容易檢修等優點。考慮到煤礦井下的特殊環境，采用了多種軟硬件抗干擾技術，提高了設備運行的穩定性和可靠性。人性化的人機界面方便了現場工作人員的監控和管理，開關運行的狀態及故障信息可以及時傳送到監控中心，并可以接收監控中心的遠程設定信息和遠程控制指令，這提高了煤礦的現代化管理水平和生產效率。

［1］ 王娜，韓治華.礦用防爆開關智能保護器的研制［J］.礦業安全與環保，2006（6）

［2］ 楊錦忠.基于單片機的礦用防爆開關保護裝置設計［D］.北方工業大學，2008

［3］ 白應成.淺析國產防爆電氣開關的選擇與改進［J］.陜西煤炭，2012（4）

Application of CAN bus technology in mine explosion－proof switch

Wang Jinfeng
（Mechanical engineering institute，Taiyuan university of technology，Taiyuan，Shanxi030024，China）

Based on the current situation of mine explosion－proof switch，CAN bus technology and industrial Ethernet technology have been applied in mine explosion－proof switch.This system improves the level of protection and management of mining explosion－proof switch，simplifies the wiring in the switch，and enhances the anti－disturbance capacity in operation process.Mine explosion－proof switch enable to operate by network，monitoring and remote fault diagnosis.

CAN bus technology，industrial Ethernet，mine explosion－proof switch

TD684

A

王晉鳳（1969－），女，山西太原人，1990年畢業于山西礦業學院，碩士，現為太原理工大學講師，主要從事煤礦機電方面的研究。

（責任編輯 路 強）