基于CAN現(xiàn)場總線的煤礦非用即停電源控制裝置設(shè)計(jì)

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(shí)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(xiǎn)。鑒于此，利用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在煤礦井下設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)上級電源立即停電，設(shè)備啟動(dòng)工作時(shí)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(jī)械化、自動(dòng)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(xiǎn)增加。

目前，煤礦井下主要采用漏電保護(hù)裝置防范線路及設(shè)備漏電事故，從原理上講屬于被動(dòng)式保護(hù)，由于漏電保護(hù)裝置動(dòng)作影響因素比較多，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下及接地電阻變化的條件下，漏電保護(hù)裝置誤動(dòng)作現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，漏電保護(hù)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(shí)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(xiǎn);同時(shí)，線路和設(shè)備長期帶電也縮短了其使用壽命。鑒于此，本項(xiàng)目就從源頭降低觸電風(fēng)險(xiǎn)，提高煤礦井下供電可靠性進(jìn)行了分析研究。

為解決上述技術(shù)問題，項(xiàng)目組應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的主動(dòng)式用電安全保護(hù)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(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信特性，進(jìn)行負(fù)載與電源之間的數(shù)據(jù)傳輸及控制。控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，控制裝置由負(fù)載控制器、電源控制器組成。

（1）負(fù)載控制器：負(fù)責(zé)控制信號的發(fā)送及接收。安裝在負(fù)載磁力啟動(dòng)器內(nèi)，由本安型電池供電，包括控制模塊、啟動(dòng)按鈕和停止按鈕;啟動(dòng)按鈕與負(fù)載磁力啟動(dòng)器的啟動(dòng)開關(guān)并聯(lián)且機(jī)械隨動(dòng)，停止按鈕與負(fù)載磁力啟動(dòng)器的停止開關(guān)串聯(lián)且機(jī)械隨動(dòng);負(fù)載控制器在啟動(dòng)（停止）按鈕按下時(shí)發(fā)出啟動(dòng)（停止）信號，通過現(xiàn)場總線傳輸至電源控制器，發(fā)出啟動(dòng)（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(fù)載控制器通過CAN現(xiàn)場總線連接，在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載控制器發(fā)出啟動(dòng)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(dòng)信號，通過微處理器處理，輸出控制信號，驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)閉合，對負(fù)載輸出動(dòng)力電流。

在設(shè)備停止時(shí)，按下負(fù)載磁力啟動(dòng)器停止開關(guān)，負(fù)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(jì)使得煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備停運(yùn)時(shí)，供電線路即時(shí)停電，生產(chǎn)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，電源線路即刻供電，實(shí)現(xiàn)了電源的非用即停，供電方式由過去的被動(dòng)式供電轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)保護(hù)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(shí)也降低了電源的冗余成本，減少了供電系統(tǒng)的待機(jī)功耗。

負(fù)載控制器通過CAN現(xiàn)場總線與電源控制器進(jìn)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(yuǎn)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(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。利用PIC18F458作為通信驅(qū)動(dòng)器在負(fù)載控制器和電源控制器之間進(jìn)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信，完成煤礦巷道設(shè)備之間的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信及邏輯控制[3]。

裝置還可實(shí)現(xiàn)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)中大范圍、長距離、多點(diǎn)互動(dòng)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(yuǎn)程控制（控制距離可達(dá)10 km）、定時(shí)控制、過載、過熱、短路、過壓、漏電自動(dòng)遠(yuǎn)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(fù)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(fù)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(dòng)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(fù)載控制器結(jié)構(gòu)原理類似，在接收到負(fù)載控制器信號后，在PIC18F458的CAN模塊進(jìn)行解析，輸出控制信號，驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)動(dòng)作。控制器的基本參數(shù)和通信數(shù)據(jù)通過MAX232串口通信芯片在顯示終端LCD進(jìn)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(jìn)行研究，應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了煤礦井下非用即停電源控制裝置，解決了煤礦井下主動(dòng)式用電安全保護(hù)問題，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。

[參考文獻(xiàn)]

[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(jī)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(jì)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(jī)程序設(shè)計(jì)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(jī)電及現(xiàn)場總線技術(shù)。