基于CAN总线的煤矿输送控制系统设计

范宜标

(龙岩学院机电工程学院，福建 龙岩 364000)

0 引言

煤矿输送是煤炭生产过程中至关重要的环节，输送带安全可靠的运行直接影响到煤矿的生产效率，输送带的工作特点是距离长、灰尘大，在输送线的头部和尾部都有现场信号要采集，传统的继电器—接触器控制方式已很难适应煤矿输送的控制要求[1]。针对煤矿自动化系统改造的技术要求，目前大多数企业采用现场总线技术，以实现对煤矿高效、安全可靠的运行；控制器局部网CAN(Controller Area Network)是一种应用广泛的开放式通信网络，这种现场总线技术具有控制距离远、连接节点多、抗干扰能力强等特点，非常适合煤矿输送系统的控制与数据采集。

本文使用CAN总线设计输送控制系统，通过总线接口完成机头、机尾的信号采集，实现对输送带的集中控制，从而大幅度提高煤矿输送的自动化水平，显著提高煤矿生产效能。

1 传送带系统组成

本文根据湖南谭家山煤矿的实际情况进行设计，该煤矿输送设备主要有上仓传送带、末煤传送带、手选矸石传送带，需要控制的设备有制动器、振动筛、电磁除铁器等等，其中上仓传送带参数为：工作长度为170 m，水平倾角为17°，驱动电机90 kW；手选矸石传送带参数为：工作长度为30 m，驱动电机4 kW；末煤传送带工作长度30 m，传动电机功率7.5 kW。原煤传送过程中由于输送距离长(上仓传送带170 m)，在CAN总线系统中需加设总线隔离中继器，控制系统需要设置相应的检测装置对运行过程中可能出现的跑偏、撕裂、堆煤以及环境温度、烟雾、张力等参数进行监控，系统总线拓扑结构如图1所示。

图1所示的CAN总线网络系统由主站和多个监控分站组成，系统主站即地面控制中心，主站工控机与矿用本安型KJD30Z控制器通过工业以太网连接，KJD30Z具有1个以太网接口和2个CAN总线接口等，适用于煤矿井下或其他严酷的工矿环境，网络控制系统通过采用工业以太网和CAN现场总线，可实现煤矿输送带的集中控制和温度、烟雾、张力等的监控[2]。

1.1 主站

根据煤矿输送控制要求，系统主站采用冗余设计方式，即两台工控机实现双机热备用，这样能确保系统安全可靠地运行，即使一台工控机发生故障时，另一台能自动进行替换，防止输送系统停止工作。本系统设计的I/O点(监控点)数可达1 000个以上，采样周期小于20 ms，完全符合煤矿生产的实时性要求；系统所有运行参数可通过工控机实时显示或打印。

图1 煤矿传送带系统

1.2 传感器

1)系统中纵撕传感器(GVY-2K型)是采用霍尔元件的磁感应传感器，安装传感器时，与GVY-2K配套的感应磁铁固定在卸载滚筒法兰盘的偏心位置上，安装高度不能超出滚筒外延。传感器信号接收器安装在与磁铁对应的固定支架上，这样输送带运行过程，如果输送带被撕裂，纵撕传感器立即发出电信号，CAN总线将信号传给主站，切断控制回路，并立即停车。

2)烟雾传感器(KGN1)主要用来检测煤矿井下可燃气体的含量，KGN1安装在驱动滚筒上方5 m范围内，且需要避免被雨水淋到；当煤矿井下积累的可燃气体达到一定程度，含量超标后就形成烟雾，此时KGN1传感器发出报警信号，控制系统自动使输送带停止工作；此外，系统在机头中间位置和机尾两边各装一组防跑偏传感器KGE28(万向开关)，当输送带跑偏时，万向开关的垂直导杆发挥作用，使输送带延时停车。

3)温度传感器(GW40)主要用来防止电机外壳或输送带主滚筒设备温度升得过高。如果输送带长时间运行，或者运行电动机出现过载等情况，设备温度会急剧增加，此时，紧贴在吸热面的GW40传感器发出报警信号，系统进行制动，同时检测出滚筒的温度[3]。

2 智能控制节点

2.1 网络接口设计

煤矿输送各控制设备间隔距离长，属于典型的分布式系统，生产现场各执行机构通过CAN总线接口接入网络控制系统，网络接口设计实际是开发相应的智能控制节点，接收上位机发出的各种控制命令，同时向上位机传送现场参数；控制节点需要接收的信号包括就地控制、远程控制信号以及故障停车信号；此外，节点还必须能自动调节输送带的运行速度[4]。

根据上述功能要求以及CAN总线的通信协议，本系统节点采用AT89C52单片机作为核心控制器，这种单片机编程简单方便，外围电路灵活；系统总线接口采用SJA1000芯片和PCA82C250芯片组成。SJA1000芯片支持CAN协议，该芯片具有接收缓冲器、增强验收滤波等功能，通过与总线收发器PCA82C250配合，能很好地完成CAN总线通信任务，实现与CAN总线互连，其连接方法如图2所示。

2.2 应用电路设计

CAN总线接口必须配备相应的应用电路才能组成智能控制节点，应用电路主要包括I/O电路以及信号调理放大电路等，为了保证电路工作可靠稳定，设计时须增加隔离电路；本系统中数字量I/O电路如图3所示。

图2 CAN总线接口

图3(a)所示为数字量输入电路，由门电路、光电耦合器TLP521-1以及保护电路等组成，图中二极管IN4148和电容C1(0.01uF)组成保护电路，数字量信号先经过保护电路，再触发光耦TLP521-1；光耦导通后打开输出侧，使开关量信号经过COMS反相，传输至单片机的输入口IN-1，再由单片机的MCU进行采集、处理[5]。

数字量输出电路与输入电路的工作过程相反，通过单片机程序发出控制指令，驱动光电耦合器，光耦导通后驱动继电器KA1，由KA1的触点向外部电路提供数字量输出信号。

(a)输入电路

(b)输出电路图3 数字量电路

3 控制程序设计

在煤矿输送系统运行过程中，首先需要实现传送带及相关设备的起停控制，另一方面在输送系统遇到故障时，控制程序必须完成使输送系统停车，并驱动报警设备报警。本系统程序主要包括主程序、保护程序以及报警程序。

根据现场控制要求，本系统设计了3种控制方式：集中自动控制、就地控制和集中手动控制。1)采用集中自动控制方式时，传送带及相关设备逆煤流顺序延时启动，延时时间根据现场实际需要调试并确定，这样可避免发生堆煤情况。2)就地控制主要用于传送带的维修与检查，是具有最高权限的控制方式，在传送带遇到紧急情况时启动报警设备，工作人员快速检查设备。这种控制方式下集中自动控制不再起作用。3)集中手动控制同样采用逆煤流启动方式，该方式主要测试传送设备能否正常起动，工作人员参与起动，例如先起动电磁除铁器，判断其是否正常，如果正常则进入延时阶段，否则不会进入延时阶段，后面的设备均不能启动。

主程序的主要功能是选择控制方式、起动相关设备以及处理故障等，控制流程图如4所示。

图4 主程序流程图

4 结语

CAN现场总线是目前应用广泛的总线技术，它是一种基于微处理技术的数字化网络，由于采用了非破坏性仲裁技术，总线利用率高，且这种总线技术传输可靠、实时性高，网络传输长度最长可达10 km，控制节点最多可达2万多个。这些特点都非常适合煤矿输送系统的控制。本文设计的CAN控制网络在湖南谭家山煤矿、福建龙岩等煤矿获得了成功的应用，经过长时间的运行证明：系统工作可靠、通讯稳定、故障率低，是一种理想的远距离通讯数据采集控制平台，大大提高了煤矿生产效率。

[1] 钱科，王琴，符阳.基于Profibus-DP强力带式输送机系统地面集中控制的实现[J].煤矿机械，2015，31(3)：204-206.

[2] 徐诚.基于PROFIBUS-DP现场总线的炉衬料生产线控制系统的设计[D].苏州：苏州大学，2014.

[3] Leonov G A.The brockett problem for linear discretecontrol systems[J].Automation and Remote Control，2002，63(5)：777-781.

[4] 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[5] 陈斌.CAN工业总线与基于WCDMA的无线传输技术在煤矿安全监控系统中的应用[D].济南：山东大学，2013.