許連丙

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，太原 030006）

0 引言

在信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、采煤及掘進(jìn)工藝持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)以及礦用采掘裝備自動(dòng)化、智能化水平要求不斷提高的態(tài)勢(shì)下，“單一集中” 的電控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足礦用采掘裝備發(fā)展的要求，“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的設(shè)計(jì)理念正在逐步取代“單一集中” 的設(shè)計(jì)理念成為礦用采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 采掘裝備電控系統(tǒng)需要配置大量的智能化水平較高的傳感器以及執(zhí)行部件，這些傳感器、執(zhí)行部件與裝備控制器之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，利用傳統(tǒng)的“單一集中” 的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)裝備控制器與傳感器之間的電氣及信息聯(lián)系，將產(chǎn)生大量的線束并且不利用裝備可靠性的提高。CAN總線的應(yīng)用為采掘裝備電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝備控制器與傳感器、執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 采掘裝備電控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 CAN總線介紹

CAN總線是控制器局域網(wǎng)（Control Area Network）的簡(jiǎn)稱，于20 世紀(jì)80年代由德國(guó)BOSCH公司為解決控制器之間數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行總線，其最初是專用于汽車領(lǐng)域，隨著CAN總線技術(shù)的發(fā)展，逐漸向其他的領(lǐng)域滲透，到目前為止，CAN總線技術(shù)已成功應(yīng)用于汽車、重卡、船舶、航空、煤礦等眾多領(lǐng)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(zhì)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(shè)備掛在同一條總線上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換和共享，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)［1］。

1.2 CAN總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。與MODBUS、PROFIBUS等通訊總線相比有著眾多獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）多主總線，同一條總線上的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，不分主次；（2）采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)不受到影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，有效避免總線沖突；（3）采用短幀結(jié)構(gòu)，有效降低數(shù)據(jù)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(yàn)方式，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤概率，提高總線運(yùn)行的可靠性；（5）可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者一對(duì)多等數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸方式靈活；（6）具有遠(yuǎn)距離傳輸能力，CAN總線的直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)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(yīng)用

CAN總線在煤礦中的應(yīng)用已相當(dāng)普及，不論是煤礦的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)還是輔助運(yùn)輸車輛的監(jiān)控裝置，又或者是服務(wù)于生產(chǎn)一線的采掘裝備的電控系統(tǒng)等設(shè)備都可以看到CAN總線影子。

2.1 CAN總線在掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)上的應(yīng)用

圖1 所示為掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)框圖，由圖可知掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)主要由主電控箱、操作箱、顯示箱、遙控接收機(jī)箱、電機(jī)、傳感器等組成，其中主電控箱與顯示箱、操作箱、遙控接收機(jī)箱之間都是采用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，主電控箱與外部傳感器（電機(jī)溫度、油溫、油位等）之間仍然采用硬連接線實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)的傳輸。

圖1 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)

圖2 所示為掘進(jìn)機(jī)主電控箱電氣原理圖，由圖可知在掘進(jìn)機(jī)的主電控箱內(nèi)配置有整個(gè)電控系統(tǒng)的核心PLC，而PLC 與智能電流互感器、PLC與電控箱外部總線設(shè)備之間都是通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 掘進(jìn)機(jī)主電控箱原理

另外CAN總線還應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)器［4］、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［5］、無(wú)線遙控系統(tǒng)［6］、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)［7］等掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的方方面面。

2.2 CAN總線在連采機(jī)的應(yīng)用

郭光輝等［8］成功將CAN總線應(yīng)用于上海創(chuàng)立的連采機(jī)電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)采用CAN總線通訊技術(shù)作為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的通道，實(shí)現(xiàn)了信息的集中監(jiān)測(cè)、傳輸、控制以及數(shù)據(jù)共享，易于功能擴(kuò)展，減少了線束，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，有較強(qiáng)的抗干擾和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力。

上海創(chuàng)立的EML360 連采機(jī)電控系統(tǒng)由牽引電控箱、斷路器箱、操作箱、顯示箱、截割電控箱共5 個(gè)電控箱組成，每個(gè)電控箱依據(jù)整機(jī)需要分布在連采機(jī)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(shí)現(xiàn)整機(jī)的數(shù)據(jù)連接及交換。牽引電控箱內(nèi)部設(shè)置有牽引控制PLC，PLC與牽引變頻器之間采用開(kāi)關(guān)量的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變頻器的控制。另外上海創(chuàng)立的EML360 連采機(jī)截割電控箱內(nèi)部對(duì)截割電機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)電機(jī)以及油泵電機(jī)的控制回路中并沒(méi)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(shè)計(jì)方式將造成電控箱內(nèi)部線束、故障點(diǎn)增多，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性差等問(wèn)題［9］。

山西天地煤機(jī)的EML340 型連采機(jī)與上海創(chuàng)立的EML360連采機(jī)電控系統(tǒng)相比，其將CAN總線應(yīng)用的更加充分，山西天地煤機(jī)連采機(jī)電控系統(tǒng)中多個(gè)電控箱之間采用CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，截割電控內(nèi)每個(gè)電機(jī)控制回路都采用了CAN總線的智能電流傳感器，降低了PLC對(duì)模擬量采集口數(shù)量的要求，另外在牽引變頻器箱內(nèi)采用的基于CAN 總線的四限象牽引變頻器，牽引PLC通過(guò)CAN總線接收來(lái)自截割電控箱的控制命令，并同時(shí)以CAN通訊的形式將命令傳輸?shù)綘恳冾l器，實(shí)現(xiàn)對(duì)連采機(jī)牽引系統(tǒng)的控制。

2.3 CAN總線在采煤機(jī)上的應(yīng)用

采煤機(jī)工作于綜采工作面，體型龐大，控制對(duì)象繁多，電控系統(tǒng)復(fù)雜，另外由于控制對(duì)象分布在采煤機(jī)的不同位置，采用“單一集中” 的設(shè)計(jì)理念，將增加整個(gè)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)給整機(jī)的電纜布置帶來(lái)困難，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性造成影響。

基于CAN總線的采煤機(jī)電控系統(tǒng)與掘進(jìn)機(jī)及連采機(jī)電控系統(tǒng)相類似，整個(gè)電控系統(tǒng)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(duì)象主要是電機(jī)電磁閥、變頻器等，各個(gè)電控箱之間采用CAN 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及控制的傳輸。

CAN總線在采煤機(jī)上的應(yīng)用不僅僅局限于電控系統(tǒng)，另外采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制及故障診斷，采煤機(jī)牽引變頻器檢測(cè)系統(tǒng)等方面也有CAN總線的相關(guān)應(yīng)用［10－12］。

3 CAN總線對(duì)采掘裝備發(fā)展的影響

3.1 CAN總線對(duì)采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的影響

采掘裝備通過(guò)CAN總線的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電控系統(tǒng)的“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布”，解決了采掘裝備多電控箱優(yōu)化布置的問(wèn)題，然而從CAN總線的優(yōu)勢(shì)及其在地面車輛應(yīng)用的發(fā)展來(lái)看，CAN總線在采掘裝備電控系統(tǒng)的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此基于CAN總線“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的采掘裝備電控系統(tǒng)也僅僅只是采掘裝備CAN總線應(yīng)用的開(kāi)端，而其后續(xù)的應(yīng)用及發(fā)展應(yīng)該參考地面智能車輛CAN總線的使用水平從電控系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)。

3.2 CAN總線對(duì)采掘裝備電控系統(tǒng)功能模塊發(fā)展的影響

采掘裝備電控系統(tǒng)功能模塊的概念由來(lái)已久，并且隨著電子元器件及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其實(shí)現(xiàn)形式也在不斷發(fā)生變化，以采掘裝備電控系統(tǒng)的綜合保護(hù)器為例，第一代綜合保護(hù)器設(shè)計(jì)之初是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所有控制電機(jī)的過(guò)熱保護(hù)，輸入為PT100熱電阻信號(hào)，輸出為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，輸入與輸出之間利用運(yùn)算放大器及比較器等模擬電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，缺點(diǎn)是控制精度差，只能反映故障狀態(tài)卻不能表現(xiàn)故障形成的過(guò)程；第二代綜合保護(hù)器與第一代相比，變化的核心是輸入輸出之間信號(hào)的變換形式，利用單片機(jī)等控制芯片對(duì)熱電阻信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的溫度值，然后通過(guò)邏輯判斷輸出相應(yīng)的故障開(kāi)關(guān)量，優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)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(hù)器是基于通訊總線技術(shù)的產(chǎn)物，與前兩代產(chǎn)品相比，保護(hù)器的輸出信號(hào)不再是開(kāi)關(guān)量，而是數(shù)據(jù)，其自身不僅具有數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷等功能，同時(shí)還可以通過(guò)總線的形式將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳輸給PLC，甚至對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存。目前采掘裝備電控系統(tǒng)綜合保護(hù)器的通訊形式一般有CAN和MODBUS兩種形式，但隨著CAN 總線技術(shù)在采掘裝備應(yīng)用的不斷深入，基于CAN總線的采掘裝備綜合保護(hù)器的應(yīng)用將更加廣泛，并朝著精確化、智能化的方向發(fā)展。

3.3 CAN總線對(duì)采掘裝備工頻控制回路發(fā)展的影響

采掘裝備工頻控制回路的作用是通過(guò)控制接觸器的吸合與釋放間接控制電機(jī)的運(yùn)行與停止，其一般由PLC、接觸器、阻容吸收、電流傳感器、電機(jī)漏電閉鎖保護(hù)模塊等組成，工作原理是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)PLC通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制漏電閉鎖模塊對(duì)電機(jī)的漏電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電機(jī)無(wú)漏電情況時(shí)，PLC 取消對(duì)漏電閉鎖模塊的漏電檢測(cè)控制繼而通過(guò)控制接觸器吸合線圈來(lái)控制接觸器吸合，同時(shí)PLC對(duì)電流傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的電機(jī)電流值，然后利用電流值進(jìn)行判斷從而得出過(guò)流、過(guò)載、短路、缺相、粘連等故障，并依據(jù)故障情況對(duì)接觸器進(jìn)行控制。

圖3 所示為采掘裝備工頻控制回路的3 種實(shí)現(xiàn)形式，3 種實(shí)現(xiàn)形式相比，前兩種的最大區(qū)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(tǒng)配置上兩種實(shí)現(xiàn)形式并沒(méi)有太大的區(qū)別，但從對(duì)PLC的要求及電控箱裝配難度上來(lái)說(shuō)，第二種實(shí)現(xiàn)形式降低了對(duì)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(tǒng)運(yùn)行的可靠性。第三種實(shí)現(xiàn)形式中采用智能電機(jī)保護(hù)裝置，智能電機(jī)保護(hù)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(hù)模塊進(jìn)行了整合，而與PLC之間只留有CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。智能電機(jī)保護(hù)裝置具有原工頻控制回路所有的保護(hù)功能，除此之外，它還具有電壓檢測(cè)判斷功能，彌補(bǔ)了原工頻控制回路只能依據(jù)電流情況判斷各種運(yùn)行故障的缺陷，使檢測(cè)更精確，邏輯判斷更準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠性更高，工況適用性更好，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。

圖3 采掘裝備工頻回路控制原理

目前對(duì)于智能電機(jī)保護(hù)裝置的研究國(guó)內(nèi)、外均沒(méi)有相關(guān)的文獻(xiàn)資料及產(chǎn)品應(yīng)用，但隨著采掘裝備電控系統(tǒng)智能化要求的提高，智能電機(jī)保護(hù)裝置的研究與應(yīng)用將是采掘裝備工頻控制回路發(fā)展的趨勢(shì)。

3.4 CAN總線對(duì)礦用傳感器智能化發(fā)展的影響

采掘裝備電控系統(tǒng)是由整車分布的電控箱及外部傳感器組成，傳感器負(fù)責(zé)對(duì)整機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行采集，并將相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成PLC可識(shí)別和采集的模擬量信號(hào)，進(jìn)而為整機(jī)的控制提供參考依據(jù)。圖4 所示為目前采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集方法的拓?fù)鋱D。

圖4 傳統(tǒng)傳感器采集拓?fù)鋱D

圖5 所示為基于CAN總線的采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集的拓?fù)鋱D。基于CAN 總線的采掘裝備傳感器數(shù)據(jù)采集利用CAN 網(wǎng)絡(luò)組建了PLC與傳感器之間數(shù)據(jù)傳輸通道，PLC 與傳感器之間不再是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的關(guān)系，而是并網(wǎng)級(jí)聯(lián)的關(guān)系，這樣的設(shè)計(jì)方式不僅僅降低了電控系統(tǒng)對(duì)PLC 必須具備模擬量采集功能要求，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖5 智能傳感器采集拓?fù)鋱D

采掘裝備傳感器智能化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)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(jīng)有大量的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，尤其是智能汽車應(yīng)用方面，但礦用基于CAN總線的智能傳感器產(chǎn)品還不多見(jiàn)，分析原因主要是因?yàn)榈V用產(chǎn)品采用先進(jìn)技術(shù)的滯后性造成，隨著礦用裝備自動(dòng)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(shù)量和種類將會(huì)越來(lái)越多。

3.5 CAN總線對(duì)智能集控閥組發(fā)展的影響

CAN總線的應(yīng)用不僅為采掘裝備電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利，同時(shí)也為液壓系統(tǒng)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(jié)合，其內(nèi)置了位置、流量、壓力等多種傳感器，閥組本身集成了信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、信號(hào)偏差補(bǔ)償、邏輯判斷、PID閉環(huán)控制、數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)裙δ?，與傳統(tǒng)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(hù)更方便。

目前集控閥組在礦用采掘裝備液壓系統(tǒng)的應(yīng)用已有很多成功案例，但由于礦用智能集控閥組牽涉到數(shù)據(jù)總線、電氣控制、煤礦安全準(zhǔn)入等問(wèn)題，其應(yīng)用存在滯后性。

3.6 CAN總線對(duì)礦用采掘裝備執(zhí)行部件發(fā)展的影響

采掘裝備位于煤礦采掘工作面的最前沿，外控執(zhí)行部件眾多。以聲光語(yǔ)音報(bào)警裝置為例，聲光語(yǔ)音報(bào)警裝置是采掘裝備常用的的一種安全警示設(shè)備，隨著采掘裝備安全生產(chǎn)要求的不斷提高，采掘裝備對(duì)聲光語(yǔ)音報(bào)警裝置的要求也在不斷提高，尤其表現(xiàn)在聲光語(yǔ)音報(bào)警裝置報(bào)警語(yǔ)音的數(shù)量上，目前采掘裝備常用的語(yǔ)音報(bào)警裝置以開(kāi)關(guān)量控制居多，這就造成當(dāng)系統(tǒng)要求語(yǔ)音數(shù)量增多時(shí)，報(bào)警裝置的控制線也將增多，這對(duì)采掘裝備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的麻煩。

基于CAN總線的聲光語(yǔ)音報(bào)警裝置將是礦用語(yǔ)音報(bào)警裝置發(fā)展的趨勢(shì)，其以4 根線（2 根電源線、2 根通訊線）的代價(jià)解決了語(yǔ)音報(bào)警裝置用控制線數(shù)量換取語(yǔ)音報(bào)警數(shù)量的難題，目前基于總線控制的語(yǔ)音報(bào)警裝置已有相關(guān)文獻(xiàn)及成功引用案例，但大多是基于MODBUS 總線的設(shè)備，而基于CAN 總線的產(chǎn)品還沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文提出了“一點(diǎn)集中，多點(diǎn)分布” 的基于CAN 總線的礦用采掘裝備電控系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）簡(jiǎn)述了礦用采掘裝備電控系統(tǒng)CAN總線的應(yīng)用現(xiàn)狀及后期的發(fā)展方向。

（3）詳細(xì)說(shuō)明了CAN 總線對(duì)采掘裝備電控系統(tǒng)發(fā)展的影響。