基于CAN現場總線的煤礦非用即停電源控制裝置設計

龔柏宇 馬偉 陳志峰 郭輝 徐立軍

摘? 要：煤礦設備在停止工作時電源系統依然待電，使得供電線路處于有電狀態，存在電氣安全風險。鑒于此，利用CAN現場總線技術，實現在煤礦井下設備停止運行時上級電源立即停電，設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。

關鍵詞：現場總線;非用即停;用電即送;電源控制

0? ? 引言

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

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，在強電磁干擾環境下及接地電阻變化的條件下，漏電保護裝置誤動作現象時有發生，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]。根據工作性質的不同，煤礦井下供電線路和設備有約1/3時間是處于設備暫停、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備必然增加人體觸電、設備漏電、出現短路火花甚至導致瓦斯爆炸事故的風險;同時，線路和設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。

為解決上述技術問題，項目組應用CAN現場總線技術，設計研制了一種結構簡單、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CAN現場總線的低電壓、抗干擾、高可靠、遠距離數據通信特性，進行負載與電源之間的數據傳輸及控制。控制系統示意圖如圖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：負責控制信號的發送及接收。安裝在負載磁力啟動器內，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并聯且機械隨動，停止按鈕與負載磁力啟動器的停止開關串聯且機械隨動;負載控制器在啟動（停止）按鈕按下時發出啟動（停止）信號，通過現場總線傳輸至電源控制器，發出啟動（停止）信號，如圖1所示。

（2）電源控制器：安裝在電源開關箱內，與負載控制器通過CAN現場總線連接，在設備啟動時，負載控制器發出啟動信號，通過微處理器轉變為CAN現場總線規定的信號，經過總線網絡，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，驅動電源開關閉合，對負載輸出動力電流。

在設備停止時，按下負載磁力啟動器停止開關，負載控制器向電源控制器發出停止信號，經過總線傳輸，電源控制器接收到信號，控制電源開關跳閘，斷開電源開關電源。

本設計使得煤礦井下生產設備停運時，供電線路即時停電，生產設備啟動時，電源線路即刻供電，實現了電源的非用即停，供電方式由過去的被動式供電轉變為主動保護型按需供電，可以提高供電安全程度，減少漏電事故的發生;同時也降低了電源的冗余成本，減少了供電系統的待機功耗。

負載控制器通過CAN現場總線與電源控制器進行網絡通信，在煤礦中要求控制系統滿足本質安全條件，要求信號電壓低、抗干擾、遠距離傳輸。微處理器PIC18F458內部具有CAN模塊，CAN現場總線可以在煤礦較大噪聲環境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。利用PIC18F458作為通信驅動器在負載控制器和電源控制器之間進行雙向、串行、多節點的數字通信，完成煤礦巷道設備之間的數據遠程通信及邏輯控制[3]。

裝置還可實現煤礦供電網絡中大范圍、長距離、多點互動的供電閉鎖、風電閉鎖、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：負載控制器發出控制信號，輸入微處理器PIC18F458，經過PIC18F458內部的CAN模塊編碼，向微芯公司的功率驅動放大器MCP2551發出符合CAN通信協議的信號，信號經網絡傳輸線輸入電源控制器。

電源控制器與負載控制器結構原理類似，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，驅動電源開關動作。控制器的基本參數和通信數據通過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和數據通信提供電壓。根據通信線路長短，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，應用CAN現場總線技術，設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水平。

[參考文獻]

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

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

[3] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN現場總線系統的設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 劉和平，劉釗，鄭群英，等.PIC18Fxxx單片機程序設計及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，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：煤礦機電及現場總線技術。