CAN 總線在礦用采掘裝備電控系統上的應用與發展*

許連丙

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

0 引言

在信息技術、智能控制技術、采煤及掘進工藝持續改進與發展的良好態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勢下，“單一集中” 的電控系統已經不能滿足礦用采掘裝備發展的要求，“一點集中，多點分布” 的設計理念正在逐步取代“單一集中” 的設計理念成為礦用采掘裝備電控系統發展的趨勢。

“一點集中，多點分布” 采掘裝備電控系統需要配置大量的智能化水平較高的傳感器以及執行部件，這些傳感器、執行部件與裝備控制器之間需要進行大量的數據交換，利用傳統的“單一集中” 的設計理念實現裝備控制器與傳感器之間的電氣及信息聯系，將產生大量的線束并且不利用裝備可靠性的提高。CAN總線的應用為采掘裝備電控系統實現裝備控制器與傳感器、執行部件之間的數據交互，進而實現“一點集中，多點分布” 采掘裝備電控系統的實現奠定了基礎。

1 CAN總線介紹

CAN總線是控制器局域網（Control Area Network）的簡稱，于20 世紀80年代由德國BOSCH公司為解決控制器之間數據交換而開發的一種串行總線，其最初是專用于汽車領域，隨著CAN總線技術的發展，逐漸向其他的領域滲透，到目前為止，CAN總線技術已成功應用于汽車、重卡、船舶、航空、煤礦等眾多領域［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通訊設備掛在同一條總線上，實現設備之間數據的交換和共享，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡［1］。

1.2 CAN總線的技術優勢

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特的技術優勢：（1）多主總線，同一條總線上的節點可以隨時向總線發送數據，不分主次；（2）采用總線仲裁技術，當兩個或者多個節點同時發送數據時，優先級低的節點停止發送數據，而優先級高的節點不受到影響地繼續發送數據，有效避免總線沖突；（3）采用短幀結構，有效降低數據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，降低了數據傳輸的錯誤概率，提高總線運行的可靠性；（5）可以實現節點之間點對點或者一對多等數據傳輸方式，傳輸方式靈活；（6）具有遠距離傳輸能力，CAN總線的直接通訊距離最遠可達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用

CAN總線在煤礦中的應用已相當普及，不論是煤礦的監測監控系統還是輔助運輸車輛的監控裝置，又或者是服務于生產一線的采掘裝備的電控系統等設備都可以看到CAN總線影子。

2.1 CAN總線在掘進機電控系統上的應用

圖1 所示為掘進機電控系統框圖，由圖可知掘進機電控系統主要由主電控箱、操作箱、顯示箱、遙控接收機箱、電機、傳感器等組成，其中主電控箱與顯示箱、操作箱、遙控接收機箱之間都是采用CAN總線實現數據的交換，主電控箱與外部傳感器（電機溫度、油溫、油位等）之間仍然采用硬連接線實現模擬量信號的傳輸。

圖1 掘進機電控系統

圖2 所示為掘進機主電控箱電氣原理圖，由圖可知在掘進機的主電控箱內配置有整個電控系統的核心PLC，而PLC 與智能電流互感器、PLC與電控箱外部總線設備之間都是通過CAN總線實現數據的傳輸。

圖2 掘進機主電控箱原理

另外CAN總線還應用于掘進機的綜合保護器［4］、遠程監控系統［5］、無線遙控系統［6］、實時監控系統［7］等掘進機電控系統的方方面面。

2.2 CAN總線在連采機的應用

郭光輝等［8］成功將CAN總線應用于上海創立的連采機電控系統，該電控系統采用CAN總線通訊技術作為整個系統數據交換的通道，實現了信息的集中監測、傳輸、控制以及數據共享，易于功能擴展，減少了線束，提高了系統的可維護性和運行的可靠性，有較強的抗干擾和現場適應能力。

上海創立的EML360 連采機電控系統由牽引電控箱、斷路器箱、操作箱、顯示箱、截割電控箱共5 個電控箱組成，每個電控箱依據整機需要分布在連采機的不同位置，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總線實現整機的數據連接及交換。牽引電控箱內部設置有牽引控制PLC，PLC與牽引變頻器之間采用開關量的形式實現對牽引變頻器的控制。另外上海創立的EML360 連采機截割電控箱內部對截割電機、除塵風機、轉運電機以及油泵電機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，這樣的設計方式將造成電控箱內部線束、故障點增多，系統運行穩定性差等問題［9］。

山西天地煤機的EML340 型連采機與上海創立的EML360連采機電控系統相比，其將CAN總線應用的更加充分，山西天地煤機連采機電控系統中多個電控箱之間采用CAN總線實現數據傳輸，截割電控內每個電機控制回路都采用了CAN總線的智能電流傳感器，降低了PLC對模擬量采集口數量的要求，另外在牽引變頻器箱內采用的基于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到牽引變頻器，實現對連采機牽引系統的控制。

2.3 CAN總線在采煤機上的應用

采煤機工作于綜采工作面，體型龐大，控制對象繁多，電控系統復雜，另外由于控制對象分布在采煤機的不同位置，采用“單一集中” 的設計理念，將增加整個電控系統的設計難度，同時給整機的電纜布置帶來困難，對系統運行的可靠性造成影響。

基于CAN總線的采煤機電控系統與掘進機及連采機電控系統相類似，整個電控系統主要由主控箱、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電磁閥、變頻器等，各個電控箱之間采用CAN 總線實現數據及控制的傳輸。

CAN總線在采煤機上的應用不僅僅局限于電控系統，另外采煤機監控系統，采煤機遠程控制及故障診斷，采煤機牽引變頻器檢測系統等方面也有CAN總線的相關應用［10－12］。

3 CAN總線對采掘裝備發展的影響

3.1 CAN總線對采掘裝備電控系統發展的影響

采掘裝備通過CAN總線的應用已經實現了電控系統的“一點集中，多點分布”，解決了采掘裝備多電控箱優化布置的問題，然而從CAN總線的優勢及其在地面車輛應用的發展來看，CAN總線在采掘裝備電控系統的應用還遠遠不夠。因此基于CAN總線“一點集中，多點分布” 的采掘裝備電控系統也僅僅只是采掘裝備CAN總線應用的開端，而其后續的應用及發展應該參考地面智能車輛CAN總線的使用水平從電控系統整體、傳感器、電液控等方面建立起適合礦用采掘裝備的CAN 總線網絡。

3.2 CAN總線對采掘裝備電控系統功能模塊發展的影響

采掘裝備電控系統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的發展，其實現形式也在不斷發生變化，以采掘裝備電控系統的綜合保護器為例，第一代綜合保護器設計之初是為了實現對所有控制電機的過熱保護，輸入為PT100熱電阻信號，輸出為開關量信號，輸入與輸出之間利用運算放大器及比較器等模擬電路實現信號的變換，缺點是控制精度差，只能反映故障狀態卻不能表現故障形成的過程；第二代綜合保護器與第一代相比，變化的核心是輸入輸出之間信號的變換形式，利用單片機等控制芯片對熱電阻信號進行采集、計算得到相對應的溫度值，然后通過邏輯判斷輸出相應的故障開關量，優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；第三代綜合保護器是基于通訊總線技術的產物，與前兩代產品相比，保護器的輸出信號不再是開關量，而是數據，其自身不僅具有數據采集、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據傳輸給PLC，甚至對數據進行實時保存。目前采掘裝備電控系統綜合保護器的通訊形式一般有CAN和MODBUS兩種形式，但隨著CAN 總線技術在采掘裝備應用的不斷深入，基于CAN總線的采掘裝備綜合保護器的應用將更加廣泛，并朝著精確化、智能化的方向發展。

3.3 CAN總線對采掘裝備工頻控制回路發展的影響

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的運行與停止，其一般由PLC、接觸器、阻容吸收、電流傳感器、電機漏電閉鎖保護模塊等組成，工作原理是電機啟動時PLC通過開關量控制漏電閉鎖模塊對電機的漏電狀態進行檢測，當電機無漏電情況時，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行采集計算得到相對應的電機電流值，然后利用電流值進行判斷從而得出過流、過載、短路、缺相、粘連等故障，并依據故障情況對接觸器進行控制。

圖3 所示為采掘裝備工頻控制回路的3 種實現形式，3 種實現形式相比，前兩種的最大區別在于電流傳感器，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，從系統配置上兩種實現形式并沒有太大的區別，但從對PLC的要求及電控箱裝配難度上來說，第二種實現形式降低了對PLC的硬件要求并減少了PLC與傳感器之間的線束，提高了系統運行的可靠性。第三種實現形式中采用智能電機保護裝置，智能電機保護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、漏電閉鎖保護模塊進行了整合，而與PLC之間只留有CAN總線進行數據交換。智能電機保護裝置具有原工頻控制回路所有的保護功能，除此之外，它還具有電壓檢測判斷功能，彌補了原工頻控制回路只能依據電流情況判斷各種運行故障的缺陷，使檢測更精確，邏輯判斷更準確，運行可靠性更高，工況適用性更好，設計更簡單。

圖3 采掘裝備工頻回路控制原理

目前對于智能電機保護裝置的研究國內、外均沒有相關的文獻資料及產品應用，但隨著采掘裝備電控系統智能化要求的提高，智能電機保護裝置的研究與應用將是采掘裝備工頻控制回路發展的趨勢。

3.4 CAN總線對礦用傳感器智能化發展的影響

采掘裝備電控系統是由整車分布的電控箱及外部傳感器組成，傳感器負責對整機的工作狀態進行采集，并將相應的狀態轉換成PLC可識別和采集的模擬量信號，進而為整機的控制提供參考依據。圖4 所示為目前采掘裝備傳感器數據采集方法的拓撲圖。

圖4 傳統傳感器采集拓撲圖

圖5 所示為基于CAN總線的采掘裝備傳感器數據采集的拓撲圖。基于CAN 總線的采掘裝備傳感器數據采集利用CAN 網絡組建了PLC與傳感器之間數據傳輸通道，PLC 與傳感器之間不再是點對點的關系，而是并網級聯的關系，這樣的設計方式不僅僅降低了電控系統對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的設計。

圖5 智能傳感器采集拓撲圖

采掘裝備傳感器智能化實現的基礎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據傳輸能力，目前具有CAN總線傳輸能力的各種傳感器在地面已經有大量的成熟產品出現，尤其是智能汽車應用方面，但礦用基于CAN總線的智能傳感器產品還不多見，分析原因主要是因為礦用產品采用先進技術的滯后性造成，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量和種類將會越來越多。

3.5 CAN總線對智能集控閥組發展的影響

CAN總線的應用不僅為采掘裝備電控系統的設計帶來了便利，同時也為液壓系統的集控提供了方便。智能集控閥組將電磁閥與總線控制相結合，其內置了位置、流量、壓力等多種傳感器，閥組本身集成了信號采集、數據運算、信號偏差補償、邏輯判斷、PID閉環控制、數據總線傳輸等功能，與傳統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、維護更方便。

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

3.6 CAN總線對礦用采掘裝備執行部件發展的影響

采掘裝備位于煤礦采掘工作面的最前沿，外控執行部件眾多。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備，隨著采掘裝備安全生產要求的不斷提高，采掘裝備對聲光語音報警裝置的要求也在不斷提高，尤其表現在聲光語音報警裝置報警語音的數量上，目前采掘裝備常用的語音報警裝置以開關量控制居多，這就造成當系統要求語音數量增多時，報警裝置的控制線也將增多，這對采掘裝備電控系統設計帶來很大的麻煩。

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量換取語音報警數量的難題，目前基于總線控制的語音報警裝置已有相關文獻及成功引用案例，但大多是基于MODBUS 總線的設備，而基于CAN 總線的產品還沒有相關產品。

4 結束語

（1）本文提出了“一點集中，多點分布” 的基于CAN 總線的礦用采掘裝備電控系統的發展。

（2）簡述了礦用采掘裝備電控系統CAN總線的應用現狀及后期的發展方向。

（3）詳細說明了CAN 總線對采掘裝備電控系統發展的影響。