基于CAN总线的甲烷断电装置的研制

2019-11-05牛宏辉高云广宋建成田德翔

仪表技术与传感器 2019年10期

牛宏辉，高云广，宋建成，王雪，田德翔，张敏

(1.太原理工大学，矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室，煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室，山西太原030024；2.太原科技大学电子与信息工程学院，山西太原030024)

0 引言

随着科技进步，自动化、信息化、数字化水平的提高，智慧矿山理念应用而生，其重点在于设备层的研制与改进，对设备层提出了新要求：要求精度高和寿命长的检测传感器，要求可靠的执行能力，以适应井下恶劣的环境；要能“讲话”，能将自身的状态反馈给监控中心和管理人员，便于管理人员及时发现并解决问题，避免因设备故障而导致事故；具有主动智能化协同监测和监控功能，将传统各自独立的设备进行关联和集成，对井下危险区域进行监测和控制，实现煤矿危险源状态(如瓦斯、顶板、地表沉降等)的实时检测和预测预警[1-2]。

传统甲烷断电装置主要应用单微机检测，对单一参数监测，这样会导致事故发生，尤其是在风机停机情况下，无组织地启动风机，会造成“一风吹”的现象；传统的电磁继电器作为闭锁输出电路的主要元件，动作延时长，在振动比较剧烈的环境下，可靠性不高[3]。结合传统甲烷断电装置的不足与智慧矿山对设备的新要求，设计一种能够可靠与煤矿井下电气设备协调工作、实现联动监控的甲烷断电装置具有重要意义。

本文设计的甲烷断电装置，自带后备电源以及电源管理电路，保证断电后能继续工作。利用固态继电器设计了闭锁电路。采用CAN总线，实现与监控分站、设备开停传感器、断电控制器通信，具有远程闭锁控制和3%甲烷风电闭锁等功能。

1 装置结构

甲烷断电装置的整体硬件设计如图1所示。甲烷检测电路检测甲烷浓度，将浓度信息本地显示并输出幅值为24 V的频率信号。通过CAN通信、按键和红外遥控器，实现调零、校正、参数的初始化与存储，以及设备号id、报警值、工作模式等参数的设定。设置工作在3% 甲烷风电闭锁模式时，主动协同设备开停传感器，实现3%甲烷风电闭锁功能；工作在甲烷电闭锁模式时，若甲烷断电装置检测到装置附近的甲烷浓度值超标，则进行声光报警和闭锁操作，与断电控制器配合实现远程断电闭锁控制，并立刻主动向矿井监控设备发出危险警报信号和闭锁信号，使得矿井监控设备及时获取甲烷超标信息，并发出危险警报，保障井下工作人员的安全。

图1 装置的硬件结构

2 硬件电路

2.1 电源模块电路设计

整套装置的电源部分如图2所示，由本安电源供电，经过缓启动电路，输出分为2路，一路驱动声光报警，另一路经过电源转换模块输出3.3 V、5 V和24 V。其中24 V电源用于电池充电电路和频率输出模块；3.3 V电源给单片机和其他芯片供电；5 V电源用于CAN通信接口的供电，与其他电源的地相隔离。

图2 电源结构图

2.1.1 缓启动电路

缓启动电路如图3所示。采用LT4356-1监视VCC和SNS之间的压降，限制VCC和SNS引脚之间的电压到50 mV，以此来控制连接在GATE引脚上的场效应管的栅极，从而控制输出。VCC与SNS之间并联0.1 Ω电阻和0.05 Ω电阻，此时输入电流限制在1.5 A以内。场效应管的栅极电压的变化大于5 V/μs，需要一个栅极电容器C16，使栅极电压稳定，但这样减慢了关断时间，所以使用电阻R15和二极管D1提高关断时间。根据最大电压24 V和最大电流1.5 A，得到场效应管的功率为36 W，选取了N沟道场效应管IRF530S。

图3 缓启动电路原理图

测量缓启动电路的输入电压VIN与输出电压VOUT，如图4所示，从启动到达到正常电压有一定的延时。由于供电电压是缓慢上升的过程，所以供电电流也是较为缓慢的上升过程，抑制了浪涌电流。

图4 缓启动电路的输入与输出的电压波形

2.1.2 备用电源管理电路

备用电源管理电路由电池充电电路[4-5]和电源切换电路组成。

电源切换电路实现本安电源与电池供电的自动切换。正常工作时由本安电源供电，允许电池充电电路工作；在没有本安电源供电的情况下，切除充电电路，切换到备用电池供电。后备电源为2.2 Ah电池组，可保证在本安电源停止供电后，工作2 h以上。

采用电源模块URB2424YMD-10WR3得到24 V电压，提供充电电源。电池充电电路的主要元件为CN3704，实现对4节锂电池的恒流和恒压充电，电池充电电路原理图如图5所示。充电过程中，LED4灯亮，LED3灯不亮；充满电后LED3灯亮，LED4灯灭。

图5 充电电路原理图

在电池电压较低时，采用恒流充电，按式(1)设置恒流充电电流ICH。R20为0.5 Ω，ICH为400 mA。

ICH=200/R20

(1)

当电池电压达到16.8 V时，切换到恒压充电模式，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到EOC管脚的电阻所设置的电流IEOC时，充电结束。按式(2)设置充电结束电流IEOC。R9为10 kΩ，IEOC为62.7 mA。

IEOC=1.278×(14 350+R9)/(R20×106)

(2)

2.2 闭锁输出电路

切断被控电气设备电源是装置必不可少的功能之一。比起电磁继电器，固态继电器稳定可靠且寿命长久，选取D系列百斯特固态继电器，设计如图6所示的电路，实现闭锁控制功能。

图6 闭锁电路原理图

2.3 通信系统

为了实现协同控制，设计了如图7所示的CAN通信电路[6-7]。通信电路由STM32单片机的CAN收发器和82C250Y总线驱动器组成，主要实现CAN通信中的数据链路层与物理层的功能。STM32单片机与CAN总线驱动器 82C250Y之间采用高速光耦进行隔离，使用完全隔离的电源3 V和5 V，以避免单片机与通信电路相互干扰，保证CAN通信的质量。CANH与CANL引脚间并联了一个120 Ω的终端电阻，防止信号反射。设计有R44和D6、R45和D7组成的过电压保护电路，保证装置的通信系统更加安全。

图7 通信接口

3 通信软件设计

3.1 通信协议的约定

利用CAN高速和多主通信的特点，结合现有的通信构架，设计出煤矿设备通信结构如图8所示，通过连接在一个CAN总线上设备之间的相互通信，实现3%甲烷风电闭锁功能、甲烷电远程闭锁功能以及监控分站与装置的通信。

图8 通信系统拓扑结构

设置CAN总线的通信速率为250 kbit/s，采用CAN2.0A协议中规定的通信格式进行通信。使用“标识符(3位)+设备号id(8位)”作为通信地址，根据CAN通信中地址越小、优先级越高的特点对3位标识符做如表1的约定，并简述了甲烷断电装置与相关设备的通信内容。

表1 标识符定义表

3.2 通信功能的实现

在CAN接收程序中，提取接收到的数据中的3位标识符与8位设备号，按图9所示的流程图进行数据处理。对断电控制器的数据请求给予响应；对来自监控分站的数据，解析为装置的设备号id、断电值、复电值、报警值、频率制式[200～1 000 Hz(对应0～4%CH4)和200～1 000 Hz(对应0～10% CH4)]以及工作模式(3% 甲烷风电闭锁或甲烷电闭锁模式)等参数的设置；根据设备开停传感器发送的数据设置风机状态位。

图9 CAN接收数据的流程图

装置的工作流程图如图10所示。处于甲烷电闭锁模式时，若出现甲烷浓度异常，通过CAN通信主动上传该异常信息；由甲烷断电装置发出控制信号，断电控制器在接收到甲烷断电装置发送的数据时，判断处理，并发出远程帧请求数据，甲烷断电装置再次发送闭锁状态数据给断电控制器，从而实现远程闭锁控制。

由监控分站设置甲烷断电装置为3%甲烷风电闭锁模式。当甲烷浓度超过3%时，甲烷装置发送查询风机状态的远程帧给设备开停传感器，设备开停传感器在接收甲烷断电装置发送的数据时，返回风机状态数据，从而实现3% 甲烷风电闭锁功能。

图10 装置工作流程图

4 装置的试验和调试

图11为装置测试图。如图11的前3行，用ECAN Tools发送帧ID为010+4的远程帧，设备号为4的甲烷断电装置发送甲烷浓度值+状态值作为应答；当发送帧ID为010+5的远程帧时，则不返回应答数据。

如图11的4～9行，设备号为0的监控分站，发送帧ID为000+0数据帧，发送的数据帧具体内容为“00 83 21 2C 19 26 44”、“81 40 54”。设备号为4的甲烷断电装置接收这些数据，按表2和表3解析数据，设置装置的设备号id为4，报警值为1.00%，断电值为1.50%，复位值为0.50%，频率制式1，校正值为2.00%，存储参数，不初始化，甲烷电闭锁模式，断电控制器设备号为10，设备开停传感器设备号为10；同时返回接收的数据作为应答。当发送帧ID为000+1的数据帧时，则不返回应答数据。

表2 监控分站发送以0000开始的数据的含义

表3 监控分站发送以1000开始的数据的含义

如图11的最后3行，设备号为10的设备开停传感器，发送帧ID为001+10的数据帧，发送风机状态值，甲烷断电装置发送接收到的数据作为应答。当发送帧ID为000+11的数据帧时，则不返回应答数据。

图11 测试图

采用KA83J型传感器智能调校装置进行功能测试，如图12所示。将空气和4路不同浓度的甲烷通入调校装置，甲烷浓度分别为0.00%、0.53%、1.05%、1.53%和3.04%。当浓度超过报警值1.00%时，闪灯报警；当浓度超过断电值1.50%时，声光报警，闭锁输出；当浓度小于复位值0.50%时，停止声光报警，解锁。

测试3%甲烷风电闭锁功能：当浓度超过3.00%时，且查询得到风机停转时，进行闭锁控制；当甲烷浓度小于1.50%时，解锁。