CAN 总线在矿用采掘装备电控系统上的应用与发展*

2021-09-26许连丙

机电工程技术 2021年8期

许连丙

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原 030006）

0 引言

在信息技术、智能控制技术、采煤及掘进工艺持续改进与发展的良好态势以及矿用采掘装备自动化、智能化水平要求不断提高的态势下，“单一集中” 的电控系统已经不能满足矿用采掘装备发展的要求，“一点集中，多点分布” 的设计理念正在逐步取代“单一集中” 的设计理念成为矿用采掘装备电控系统发展的趋势。

“一点集中，多点分布” 采掘装备电控系统需要配置大量的智能化水平较高的传感器以及执行部件，这些传感器、执行部件与装备控制器之间需要进行大量的数据交换，利用传统的“单一集中” 的设计理念实现装备控制器与传感器之间的电气及信息联系，将产生大量的线束并且不利用装备可靠性的提高。CAN总线的应用为采掘装备电控系统实现装备控制器与传感器、执行部件之间的数据交互，进而实现“一点集中，多点分布” 采掘装备电控系统的实现奠定了基础。

1 CAN总线介绍

CAN总线是控制器局域网（Control Area Network）的简称，于20 世纪80年代由德国BOSCH公司为解决控制器之间数据交换而开发的一种串行总线，其最初是专用于汽车领域，随着CAN总线技术的发展，逐渐向其他的领域渗透，到目前为止，CAN总线技术已成功应用于汽车、重卡、船舶、航空、煤矿等众多领域［1］。

1.1 CAN总线组成

CAN总线的通讯线路由CANH和CANL组成，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或者是光纤等，并支持所有CAN通讯设备挂在同一条总线上，实现设备之间数据的交换和共享，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络［1］。

1.2 CAN总线的技术优势

CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。与MODBUS、PROFIBUS等通讯总线相比有着众多独特的技术优势：（1）多主总线，同一条总线上的节点可以随时向总线发送数据，不分主次；（2）采用总线仲裁技术，当两个或者多个节点同时发送数据时，优先级低的节点停止发送数据，而优先级高的节点不受到影响地继续发送数据，有效避免总线冲突；（3）采用短帧结构，有效降低数据在传输中受外部影响的可能性，提高了总线的抗干扰能力；（4）采用CRC校验方式，降低了数据传输的错误概率，提高总线运行的可靠性；（5）可以实现节点之间点对点或者一对多等数据传输方式，传输方式灵活；（6）具有远距离传输能力，CAN总线的直接通讯距离最远可达10 km（速率5 kb／ s以下）［2－3］。

2 CAN总线在矿用采掘装备上的应用

CAN总线在煤矿中的应用已相当普及，不论是煤矿的监测监控系统还是辅助运输车辆的监控装置，又或者是服务于生产一线的采掘装备的电控系统等设备都可以看到CAN总线影子。

2.1 CAN总线在掘进机电控系统上的应用

图1 所示为掘进机电控系统框图，由图可知掘进机电控系统主要由主电控箱、操作箱、显示箱、遥控接收机箱、电机、传感器等组成，其中主电控箱与显示箱、操作箱、遥控接收机箱之间都是采用CAN总线实现数据的交换，主电控箱与外部传感器（电机温度、油温、油位等）之间仍然采用硬连接线实现模拟量信号的传输。

图1 掘进机电控系统

图2 所示为掘进机主电控箱电气原理图，由图可知在掘进机的主电控箱内配置有整个电控系统的核心PLC，而PLC 与智能电流互感器、PLC与电控箱外部总线设备之间都是通过CAN总线实现数据的传输。

图2 掘进机主电控箱原理

另外CAN总线还应用于掘进机的综合保护器［4］、远程监控系统［5］、无线遥控系统［6］、实时监控系统［7］等掘进机电控系统的方方面面。

2.2 CAN总线在连采机的应用

郭光辉等［8］成功将CAN总线应用于上海创立的连采机电控系统，该电控系统采用CAN总线通讯技术作为整个系统数据交换的通道，实现了信息的集中监测、传输、控制以及数据共享，易于功能扩展，减少了线束，提高了系统的可维护性和运行的可靠性，有较强的抗干扰和现场适应能力。

上海创立的EML360 连采机电控系统由牵引电控箱、断路器箱、操作箱、显示箱、截割电控箱共5 个电控箱组成，每个电控箱依据整机需要分布在连采机的不同位置，其中牵引电控箱、操作箱、显示箱以及截割电控箱之间采用CAN总线实现整机的数据连接及交换。牵引电控箱内部设置有牵引控制PLC，PLC与牵引变频器之间采用开关量的形式实现对牵引变频器的控制。另外上海创立的EML360 连采机截割电控箱内部对截割电机、除尘风机、转运电机以及油泵电机的控制回路中并没有采用基于CAN总线的智能电流传感器，而是采用了模拟量输出的电流传感器，这样的设计方式将造成电控箱内部线束、故障点增多，系统运行稳定性差等问题［9］。

山西天地煤机的EML340 型连采机与上海创立的EML360连采机电控系统相比，其将CAN总线应用的更加充分，山西天地煤机连采机电控系统中多个电控箱之间采用CAN总线实现数据传输，截割电控内每个电机控制回路都采用了CAN总线的智能电流传感器，降低了PLC对模拟量采集口数量的要求，另外在牵引变频器箱内采用的基于CAN 总线的四限象牵引变频器，牵引PLC通过CAN总线接收来自截割电控箱的控制命令，并同时以CAN通讯的形式将命令传输到牵引变频器，实现对连采机牵引系统的控制。

2.3 CAN总线在采煤机上的应用

采煤机工作于综采工作面，体型庞大，控制对象繁多，电控系统复杂，另外由于控制对象分布在采煤机的不同位置，采用“单一集中” 的设计理念，将增加整个电控系统的设计难度，同时给整机的电缆布置带来困难，对系统运行的可靠性造成影响。

基于CAN总线的采煤机电控系统与掘进机及连采机电控系统相类似，整个电控系统主要由主控箱、显示箱、操作箱、遥控接收箱、牵引电控箱等组成，控制对象主要是电机电磁阀、变频器等，各个电控箱之间采用CAN 总线实现数据及控制的传输。

CAN总线在采煤机上的应用不仅仅局限于电控系统，另外采煤机监控系统，采煤机远程控制及故障诊断，采煤机牵引变频器检测系统等方面也有CAN总线的相关应用［10－12］。

3 CAN总线对采掘装备发展的影响

3.1 CAN总线对采掘装备电控系统发展的影响

采掘装备通过CAN总线的应用已经实现了电控系统的“一点集中，多点分布”，解决了采掘装备多电控箱优化布置的问题，然而从CAN总线的优势及其在地面车辆应用的发展来看，CAN总线在采掘装备电控系统的应用还远远不够。因此基于CAN总线“一点集中，多点分布” 的采掘装备电控系统也仅仅只是采掘装备CAN总线应用的开端，而其后续的应用及发展应该参考地面智能车辆CAN总线的使用水平从电控系统整体、传感器、电液控等方面建立起适合矿用采掘装备的CAN 总线网络。

3.2 CAN总线对采掘装备电控系统功能模块发展的影响

采掘装备电控系统功能模块的概念由来已久，并且随着电子元器件及嵌入式系统的发展，其实现形式也在不断发生变化，以采掘装备电控系统的综合保护器为例，第一代综合保护器设计之初是为了实现对所有控制电机的过热保护，输入为PT100热电阻信号，输出为开关量信号，输入与输出之间利用运算放大器及比较器等模拟电路实现信号的变换，缺点是控制精度差，只能反映故障状态却不能表现故障形成的过程；第二代综合保护器与第一代相比，变化的核心是输入输出之间信号的变换形式，利用单片机等控制芯片对热电阻信号进行采集、计算得到相对应的温度值，然后通过逻辑判断输出相应的故障开关量，优势是可以通过程序修改判断的比较阈值，而不必频繁修改硬件电路；第三代综合保护器是基于通讯总线技术的产物，与前两代产品相比，保护器的输出信号不再是开关量，而是数据，其自身不仅具有数据采集、逻辑判断等功能，同时还可以通过总线的形式将实时采集的数据传输给PLC，甚至对数据进行实时保存。目前采掘装备电控系统综合保护器的通讯形式一般有CAN和MODBUS两种形式，但随着CAN 总线技术在采掘装备应用的不断深入，基于CAN总线的采掘装备综合保护器的应用将更加广泛，并朝着精确化、智能化的方向发展。

3.3 CAN总线对采掘装备工频控制回路发展的影响

采掘装备工频控制回路的作用是通过控制接触器的吸合与释放间接控制电机的运行与停止，其一般由PLC、接触器、阻容吸收、电流传感器、电机漏电闭锁保护模块等组成，工作原理是电机启动时PLC通过开关量控制漏电闭锁模块对电机的漏电状态进行检测，当电机无漏电情况时，PLC 取消对漏电闭锁模块的漏电检测控制继而通过控制接触器吸合线圈来控制接触器吸合，同时PLC对电流传感器的信号进行采集计算得到相对应的电机电流值，然后利用电流值进行判断从而得出过流、过载、短路、缺相、粘连等故障，并依据故障情况对接触器进行控制。

图3 所示为采掘装备工频控制回路的3 种实现形式，3 种实现形式相比，前两种的最大区别在于电流传感器，第一种为模拟量输出的电流传感器，而第二种为基于CAN总线的电流传感器，从系统配置上两种实现形式并没有太大的区别，但从对PLC的要求及电控箱装配难度上来说，第二种实现形式降低了对PLC的硬件要求并减少了PLC与传感器之间的线束，提高了系统运行的可靠性。第三种实现形式中采用智能电机保护装置，智能电机保护装置将控制工频回路所需要的阻容吸收装置、真空接触器、电流传感器、漏电闭锁保护模块进行了整合，而与PLC之间只留有CAN总线进行数据交换。智能电机保护装置具有原工频控制回路所有的保护功能，除此之外，它还具有电压检测判断功能，弥补了原工频控制回路只能依据电流情况判断各种运行故障的缺陷，使检测更精确，逻辑判断更准确，运行可靠性更高，工况适用性更好，设计更简单。

图3 采掘装备工频回路控制原理

目前对于智能电机保护装置的研究国内、外均没有相关的文献资料及产品应用，但随着采掘装备电控系统智能化要求的提高，智能电机保护装置的研究与应用将是采掘装备工频控制回路发展的趋势。

3.4 CAN总线对矿用传感器智能化发展的影响

采掘装备电控系统是由整车分布的电控箱及外部传感器组成，传感器负责对整机的工作状态进行采集，并将相应的状态转换成PLC可识别和采集的模拟量信号，进而为整机的控制提供参考依据。图4 所示为目前采掘装备传感器数据采集方法的拓扑图。

图4 传统传感器采集拓扑图

图5 所示为基于CAN总线的采掘装备传感器数据采集的拓扑图。基于CAN 总线的采掘装备传感器数据采集利用CAN 网络组建了PLC与传感器之间数据传输通道，PLC 与传感器之间不再是点对点的关系，而是并网级联的关系，这样的设计方式不仅仅降低了电控系统对PLC 必须具备模拟量采集功能要求，同时也大大简化了电控系统的设计。

图5 智能传感器采集拓扑图

采掘装备传感器智能化实现的基础是传感器首先具有逻辑判断能力，其次要具有通讯总线的数据传输能力，目前具有CAN总线传输能力的各种传感器在地面已经有大量的成熟产品出现，尤其是智能汽车应用方面，但矿用基于CAN总线的智能传感器产品还不多见，分析原因主要是因为矿用产品采用先进技术的滞后性造成，随着矿用装备自动化及智能化要求的不断的提高，基于CAN总线的矿用智能传感器的数量和种类将会越来越多。

3.5 CAN总线对智能集控阀组发展的影响

CAN总线的应用不仅为采掘装备电控系统的设计带来了便利，同时也为液压系统的集控提供了方便。智能集控阀组将电磁阀与总线控制相结合，其内置了位置、流量、压力等多种传感器，阀组本身集成了信号采集、数据运算、信号偏差补偿、逻辑判断、PID闭环控制、数据总线传输等功能，与传统意义上的电磁阀相比，智能集控阀组控制更智能、使用更集中、维护更方便。

目前集控阀组在矿用采掘装备液压系统的应用已有很多成功案例，但由于矿用智能集控阀组牵涉到数据总线、电气控制、煤矿安全准入等问题，其应用存在滞后性。

3.6 CAN总线对矿用采掘装备执行部件发展的影响

采掘装备位于煤矿采掘工作面的最前沿，外控执行部件众多。以声光语音报警装置为例，声光语音报警装置是采掘装备常用的的一种安全警示设备，随着采掘装备安全生产要求的不断提高，采掘装备对声光语音报警装置的要求也在不断提高，尤其表现在声光语音报警装置报警语音的数量上，目前采掘装备常用的语音报警装置以开关量控制居多，这就造成当系统要求语音数量增多时，报警装置的控制线也将增多，这对采掘装备电控系统设计带来很大的麻烦。

基于CAN总线的声光语音报警装置将是矿用语音报警装置发展的趋势，其以4 根线（2 根电源线、2 根通讯线）的代价解决了语音报警装置用控制线数量换取语音报警数量的难题，目前基于总线控制的语音报警装置已有相关文献及成功引用案例，但大多是基于MODBUS 总线的设备，而基于CAN 总线的产品还没有相关产品。