基于CAN总线的掘进机状态监测系统研究

郗燕杰，范柄尧

（1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 043300；2.中国煤炭科工集团太原研究院,山西 太原 030006）

随着煤矿井下悬臂式掘进机电气控制技术的逐步成熟应用，对电气系统的技术要求也逐渐提高，掘进机电控系统需要在有限的结构空间下具备更加完备的数据采集、信号处理功能以及与之配对的丰富的通信接口。而CAN和CANopen通讯网络具有分布式实时控制和并行处理数据等优点，并且CAN总线技术还具有数据传输距离远，传输速率快等优点，因此CAN总线技术除了在工业控制和汽车控制系统具有较为广泛的使用外，在煤矿井下是电气系统设备里也广泛应用。

1 CAN总线功能及简介

基于CAN总线的掘进机的控制系统主要功能为：掘进机状态参数的实时显示和掘进机控制回路的实时控制功能。掘进机实际生产工作中，通过布置在掘进机上的传感器采集掘进机工作状态，然后将数据传输到CAN总线上的显示器进行显示，工人根据显示的状态信息进行掘进机的控制，控制时将控制信号传输到CAN总线上的电磁阀进行控制。

掘进机CAN总线的节点由传感器、控制器、显示器和电磁阀控制器等电子器件组成。这些电子器件的作用主要是数据信息的采集、处理和输出。根据通信协议可完成物理层和数据链路层的通讯。电子器件必须具有CAN收发器，CAN收发器是物理总线之间的接口，节点组成的原理如图1所示。

图1 CAN总线节点组成原理图

2 总体系统设计

悬臂式掘进机由各种机械结构搭接、液压系统连接各个结构，通过电气系统执行动作，为了实现掘进机各个执行机构稳定动作并了解关键部件的状态运行信息，通过在掘进机上布置相关的传感器，利用电控系统实现对这些运动机构的监测和保护。对于一台掘进机，电气控制系统包括控制回路、数据监测回路和显示回路3个部分。

2．1 掘进机电气监测系统设计

控制回路主要由控制器构成，控制器的CAN接口主要与掘进机上的操作箱、显示器进行CAN总线通讯。整套系统的通讯方式为一主多从的通讯方式，其中控制回路的控制器是主站，操作箱和显示器是从站，主站和从站通过PDO报文的形式来实现数据间的交互传递，其中主站和从站的波特率设置一致即可，为保证通讯效率，一般为250kbit/s。

数据监测回路主要由各类传感器构成，主要监控掘进机工作时的状态信息。传感器主要完成数据的采集，控制系统收到传感器数据后完成对数据的分析和处理，最后给出是否存在故障的判断，然后将数据发送给显示屏进行显示。

显示回路主要由中文液晶屏构成，液晶屏通过CAN总线与控制器通讯，快速地交互信息，显示控制器处理后的传感器数据、掘进机工作状态数据和参数设定等数据。

2．2 掘进机的工作过程

掘进机送电之后，首先对自身电机和传感器状态进行自检验，具备启动条件之后设备可以运行，否则液晶屏通过CAN总线接收控制器发送的不能运行的数据进行显示，待操作人员将故障处理后即可运行设备。掘进机运行时，控制回路通过控制继电器控制相应电机的启停；电机启动后实时监测电机运行状态，对电机的缺项、过流、过载和过热等故障进行实时监测和故障诊断显示。其中针对掘进机的主回路的故障保护包括过载、缺项和断相等情况，这种情况下应该立即停止工作并处理故障。掘进机工作过程示意如图2所示。

图2 掘进机工作过程示意图

2．3 实时方案设计

掘进机状态监测系统的各个部件系统各自独立，通过CAN总线进行设备间数据的连接和通讯，如下图所示。传感器、控制器和执行器各自独立，每个CAN节点都可以完成监测和数据交互功能。CAN总线监测原理如图3所示。

图3 CAN总线监测原理图

3 结语

本文介绍了悬臂式掘进机的工作流程和系统组成，针对掘进机工作过程设计了基于CAN总线的电气监测系统，通过设计掘进机的运行状态监控系统，实现了对掘进机的实时在线数据采集和处理功能，使得掘进机电气系统功能更加完善。