CAN总线技术在矿用防爆开关中的应用

王晋凤

（太原理工大学机械工程学院，山西省太原市，030024）

CAN总线技术在矿用防爆开关中的应用

王晋凤

（太原理工大学机械工程学院，山西省太原市，030024）

针对目前矿用防爆开关的现状，设计了将CAN总线技术和工业以太网技术应用于矿用防爆开关的控制系统。系统的实现提高了矿用防爆开关的保护和控制水平，简化了开关的布线，增强了其运行过程的抗干扰能力，实现了网络操作、监控和远程故障诊断能力。

CAN总线 工业以太网 矿用防爆开关

传统的矿用防爆开关大都采用模拟继电器电路或可编程控制器控制，这样的控制模式一般都采用电气接点来传递控制信号，所需的控制线路多而复杂。由于矿用防爆开关要求体积尽量小，这就给开关的布线和日常的维修保养带来了较大困难。同时，随着矿井自动化程度不断的提高，矿井的数字化建设也越来越重要，煤矿井下传统的开关由于没有数字化的通信功能，这给矿井数字化升级组网等带来一定的难度。因此，研究高性能的网络化矿用开关系统具有重要的现实意义和重大的经济价值。本文结合CAN总线技术、工业以太网技术、传感器技术以及自动控制技术设计了基于CAN总线技术的矿用隔爆型开关控制系统取代当前功能单一的电气开关控制系统，实现开关的分散管理、远程监控和远程故障诊断，大大提高生产管理效益。

本控制系统采用具有TCP／IP协议的以太网接口进行数据远程传输，开关内部各部件的监控则采用CAN总线与主控制器进行数据传输。

1 CAN总线技术的特点

CAN属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之RS－485线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统具有结构简单、可靠性高、完成对通信数据的成帧处理、网络内的节点个数在理论上不受限制、可在各节点之间实现自由通信以及内部集成了错误探测和管理模块等特点。

CAN总线是已形成国际标准的现场总线，也是最有前途的现场总线之一。CAN总线具有传输实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低、检错能力强等优点。多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN－bus上可以形成多主机局部网络，可靠的错误处理和检错机制在检测到发送的信息遭到破坏后自动重发，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。

2 矿用防爆开关的现状

目前我国煤矿井下的防爆开关应用非常广泛，额定电流从几十安到几百安，电压等级主要有380V、660V、1140V、3300V、6000V、10000V等。普遍采用模拟继电器电路控制或PLC控制开关量和模拟量，均有控制和反馈接点以及过压、欠压、过流、过载、短路、缺相、相不平衡、漏电闭锁等保护，并具有一定的工作参数显示和故障状态显示功能。其内部数据交换采用开关量和模拟量形式，具有控制线路数量庞大、复杂、布线困难、不易维护以及抗干扰能力较弱等缺点，而且运行状态和故障状态等信息不易上传至地面，无法实现远程控制，不能满足数字化矿井建设的要求。

3 基于CAN总线技术的开关控制系统

针对目前矿用防爆开关的现状及煤矿安全及数字化矿井的要求，将CAN总线技术应用于开关的控制系统，采用TCP／IP网络协议进行数据的远程传输，而开关内部则采用CAN总线协议进行通信，建立友好的人机界面便于显示与操作，实现准确可靠的保护。采用光纤传输提高数据远程传输的抗干扰性和通信距离，实现远程监控和远程故障诊断。基于CAN总线技术的矿用防爆开关控制系统组成如图1所示。

3.1 矿用防爆开关控制系统硬件实现

3.1.1 主控制器

采用ARM9芯片和大屏幕LCD彩色显示器组成主控制器，主要完成控制系统设定、控制、显示、记录、信息处理及传输功能。主控制器具有图形显示界面，可显示各分控部件运行状态及故障状态信息。采用工业以太网实现远程工作状态设定、远程监控及远程故障诊断，能够适应矿用防爆开关设备网络化的发展需要。采用CAN总线协议与开关内部各部件控制器进行通信，可现场或远程向各分控部件发送工作状态设定数据、保护设定数据及控制命令数据，接收各分控部件的运行状态及故障参数等数据。主控制器硬件结构图如图2所示。

3.1.2 部件控制器

矿用防爆开关内部的每一个需要检测和控制的部件均需要一个部件控制器来对其运行状态进行在线检测和控制。部件控制器采集各部件的运行参数、运行状态及故障状态等信息，通过CAN总线接口与主控通信，将部件运行参数、状态及故障信息传输到主控制器并接收主控制器的控制命令。本设计采用具有16路12位高速AD采集口的DSP芯片控制CAN总线控制器SJA1000，通过CAN总线收发器82C250实现各种数据对主控制器的发送和接收，可满足实时性及准确性的要求。部件控制器的硬件结构图如图3所示。

图3 部件控制器结构图

本设计有隔离换向开关检测模块、真空接触器检测控制模块和综合保护器检测控制模块3个部件控制器，隔离换向开关检测模块主要完成隔离换向开关触点接触可靠性和三相交流电的相序的检测并上报给主控制器。真空接触器检测控制模块主要完成真空接触器的真空粘连检测及分合状态检测并上报给主控制器，同时接收主控制器的分合命令并执行。综合保护器检测控制模块主要完成接收主控制器传来的工作状态及保护设定数据，并进行主回路工作电压和电流的数据采集，实现过压、欠压、过流、过载、短路、缺相、相不平衡、漏电闭锁等保护，同时将工作状态及故障信息等数据上报给主控制器。

3.2 矿用防爆开关控制系统软件实现

主控制器采用ARM9系列芯片作为主控制芯片，其软件流程图见图4。部件控制器采用DSP芯片作为主控制芯片，3个部件控制软件流程图分别见图5、图6、图7。

4 技术分析

本文设计的矿用防爆开关控制系统采用ARM9系列芯片及DSP芯片，应用了CAN现场总线技术、工业以太网技术、传感器技术及自动控制技术，适用于煤矿井下交流50Hz、电压1140V和3300V供电系统。CAN现场总线数据传输采用短帧结构，传输时间短，并采用CRC校验及其它检错措施，出错率极低。CAN现场总线结构简单，各分控部件之间的连线只需两条线，信号传输的往返次数减少，提高了开关控制系统的可靠性，减少了矿用防爆开关内部控制线的数量，简化了设备内部布线。工业以太网的应用使矿用防爆开关的远程监控和远程故障诊断功能得以实现。本控制系统的技术特点为：

（1）控制系统应用了全数字化的处理、控制和保护、液晶中文显示以及故障自诊断技术，使用了具有先进嵌入式技术的ARM9芯片、TCP／IP网络协议通信和CAN现场总线技术，控制软件的设计灵活多样确保了开关满足现代化煤矿生产的需要。

（2）控制系统软件采用了模块化结构和冗余编程技术，模拟信号的处理采用高速采样并经过自适应滤波和数字化处理，消除了煤矿井下复杂环境中可能存在的干扰，系统还能对测量传感器的输入信号进行自动修正，具有较强的检错能力和抗扰动能力。

（3）开关具有自诊断功能，其控制系统采用集散型分布控制拓扑的结构，每个分控模块均具有自诊断功能，确保了控制系统运行的安全性和可靠性，其故障信息可以长期记忆并查询。

5 结论

本文设计的矿用防爆开关具有体积小、控制线数量少、接线简单、事故点少、容易检修等优点。考虑到煤矿井下的特殊环境，采用了多种软硬件抗干扰技术，提高了设备运行的稳定性和可靠性。人性化的人机界面方便了现场工作人员的监控和管理，开关运行的状态及故障信息可以及时传送到监控中心，并可以接收监控中心的远程设定信息和远程控制指令，这提高了煤矿的现代化管理水平和生产效率。

［1］ 王娜，韩治华.矿用防爆开关智能保护器的研制［J］.矿业安全与环保，2006（6）

［2］ 杨锦忠.基于单片机的矿用防爆开关保护装置设计［D］.北方工业大学，2008

［3］ 白应成.浅析国产防爆电气开关的选择与改进［J］.陕西煤炭，2012（4）

Application of CAN bus technology in mine explosion－proof switch

Wang Jinfeng
（Mechanical engineering institute，Taiyuan university of technology，Taiyuan，Shanxi030024，China）

Based on the current situation of mine explosion－proof switch，CAN bus technology and industrial Ethernet technology have been applied in mine explosion－proof switch.This system improves the level of protection and management of mining explosion－proof switch，simplifies the wiring in the switch，and enhances the anti－disturbance capacity in operation process.Mine explosion－proof switch enable to operate by network，monitoring and remote fault diagnosis.

CAN bus technology，industrial Ethernet，mine explosion－proof switch

TD684

A

王晋凤（1969－），女，山西太原人，1990年毕业于山西矿业学院，硕士，现为太原理工大学讲师，主要从事煤矿机电方面的研究。

（责任编辑 路 强）