CAN总线在煤矿井下电力监控系统中的应用.pdf

第 4期 2 0 0 6年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO ． 4 Au g ． 2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 4 0 0 7 1 0 3 C A N总线在煤矿井下电力监控系统中的应用* 荣相 ， 徐 向成 煤 炭 科学研 究 总院常 州 自动化研 究 所 ， 江 苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对煤 矿 井下 变电所基 于 R S 4 8 5总线 构建 的监控 网络 系统所 存在 的 缺 点 ， 设 计 了一种基 于 C AN 总线 的 电力监控 系统 ， 并 阐述 了 C AN 总 线接 口硬件 和软件 的设 计 。 关键 词 煤 矿 ；电力监控 ； 现 场 总线 ； CAN 中 图分类号 T D 6 7 9 文献标 识 码 B 0引言 目前 ， 现场总线技术在电力 自动化系统 中得到 了广泛的应用 ， 使 电力在线检测 系统成为分 布式 的 监测系统 ， 并使整个 系统较传统 的集 中监测系统性 能增 强 、 功 能更 为完 善 。 但煤 矿 井 下 变 电所 还 采 用 着 基 于 RS 4 8 5总线 构建的监控网络系统 ， 其在实际应用中存在着 以下 缺 陷 1 R S 4 8 5总 线 上 只 能 有 1个 主 节点 ， 无 法 构 成 多主机 系统 。 2 R S 4 8 5总 线 的抗 干扰 能 力 较 差 ， 不 适 应 在 高电磁环境下运行 ， 而且其错误处理能力不强 。 3 R S 4 8 5总线的可靠性不 能保证 ， 一旦 主节 点 出现 故障 ， 系统 就不 能正 常运行 ， 导致 整个 系统 瘫 痪 。 4 系统实时性较差 。数据通信方式是命令响 应式 ， 下端节点只有在收到主节点的命令以后才能 响应 ， 从而造成数据不能及时上传。 笔者采用 目前在工业测控系统中被广泛应用的 C AN 总线构 成煤 矿 电力监控 系 统 。C AN 总线 采用 OS I ／ I S O模型全部 7层中的 2层 ， 即物理层和数据 链 路层 ， 用户 可 以这 2层 为基础 ， 根据 实际需 要开 发 相应的应用层通信协议 。C AN总线的主要特点 1 可 以多主方 式工 作 。 网络上 任 意节 点可 在 任意时刻主动地向总线上其它节点发送信息 ， 因而 可 以构成 多主 机系统 。 收稿 日期 2 0 0 6 一O 4 一O 5 *基金项 目 煤炭科学研究总院青年创新基金项 目 2 0 0 4 QN0 8 作者简介 荣相 1 9 7 7 一 ， 男 ， 2 0 0 0年毕业 于安徽工程科技学 院 ． 现主要 从事矿井 电力监澳 l 、 监控 系统 的研究工作 2 具有较强的抗干扰能力。当 CAN总线上 某节点发生严重错误时， 具有 自动关 闭该节点输出 的功能 ， 切断该节点与总线的联系 ， 使总线上的其它 节点及通信不受影响。 3 采用非破坏性总线仲裁技术 ， 当 2个节点 同时向总线发送信息时， 优先级低 的节点主动停止 数据发送 ， 而优先级高的节点可不受影响地继续传 输数据， 节省 了总线 冲突仲裁时 间， 避免 了总线 冲 突 。 4 总线 上的节点信 息可 以分成 不 同的优先 级 ， 以满 足不 同 的实时要 求 。 5 可 以用 点对点 、 一点 对多点及全局广播等 几种方式发送和接收数据。 6 CA N总线的直接通信距离可达 1 0 k m 但 此时传输速率只能达到 5 k b p s ， C AN上的节点数 实 际可 达 1 1 0 个 。 7 数据 出错率低 、 传输时间短 。C AN总线采 用短帧结构 ， 每帧信息含有 8 B， 并有 C R C校验等 检错措施。 8 通信介质采用双绞线 、 同轴 电缆或光纤 ， 选 择灵 活 。 1 系统 总体设计 方 案 煤矿 电力 监控 系统采 用工 业 以太 网加现 场总线 模式， 主干信道是光纤以太环网到各变电所 ， 通过交 换机本安 R S 4 8 5接 口将各电力分站 R S 4 8 5接入系 统 。在变电所内采用分布式的现场 总线控制系统， 各个开关的综合保护器接人到电力分站。系统结构 图如 图 1 所 示 。 系统中， C AN总线将各综合保护器和电力分站 连结 成分 布式 现 场控 制 网 络 。该 网 络 中 ， 电 力分 站 和各个综合保护器都有 自己的 I D标志， 且各 I D不 维普资讯 7 2 工矿 自动化 2 0 0 6年 8月 重复。由综合保护器采集开关的各种信号参数和保 护信 息 ， 通 过 C AN 总线送 至 电力分 站 ， 电力 分 站对 采集到的信息进行处理， 并集中上传到地面监控计 算机。分站也可根据监控计算机的指令对综合保护 器进行 控制 。 L c A N现场 总线 [ 率 l l I lC A N 接 口 电 路l l c A N 接 口 电 路 l I C A N 接 口 电 路l I 综 合 保 护 器 l l 综 合 保 护 器 l I 综 合 保 护 器 l 隔爆开关 1 隔爆开关 2 隔爆开关 r ／ 图 I 基于 C AN总线的电力监控 系统结构 图 2 C A N总线 接 口电路 设计 2 ． 1 电 力 分 站 的 CAN 接 口 电路 电力 分 站作 为 C AN 总 线 的 主控 机 ， 具 有 较 强 的通信和数据处理能力 。其核心单片机选用 C y g n a l 公司的 C 8 O 5 1 F 0 4 0 ， 该单 片机 内部集成有 B O T S HC AN， 兼容 C AN技术规范 2 ． 0 A和 2 ． 0 B。 图 2为 电 力 分 站 C AN 接 口 电 路 原 理 图 。 C 8 O 5 1 F 0 4 0的 6 、 7脚 分 别 为 C ANR X 和 C ANT X 引脚 。C AN 的输 出输入必 须加 总线 收发 器 ， 因此 采 用 P C A8 2 C 2 5 0总线 收 发 器 。为 了增 强 C AN 节 点 的抗干扰能力， 实现各节点之 间的电气 隔离 ， C AN 引脚通过高速光耦 6 N1 3 7与总线收发器相连。电 源的隔离采用小功率电源隔离模块。 cI 搦 C ⋯ ，， o l 二一 GND P C A8 2 C2 5 0 C N b C c A ANL N h c 昏 图 2电 力 分 站 CAN 接 口 电路 原 理 图 2 ． 2 综合保 护的 CAN接 口电路 图 3为综 合保 护 C AN 接 口电路 原理 图。该 电 路 主要 由 4部 分 所 构 成 微 控 制 器 W7 7 E 5 8 、 独 立 C AN 通 信 控 制 器 S J A1 0 0 0 、 C AN 总 线 收 发 器 P C A8 2 C 2 5 0和高速光 电耦合器 6 N1 3 7 。微处理 器 W7 7 E 5 8 负 责 S J Al O O O 的 初 始 化，通 过 控 制 S J A1 0 0 0实现数据的接收和发送等。 7 E5 8 S J A 1 0 00 1 0n n 0． 0 AD0 TX0 1 4 ． 1 38 2 4 AD l TX ’0 2 3 7 2 5 0 ．3 3 6 2 6 A A墨D R X O l 9 3 9 0 Q 1 6 ．2 k F 2 0 ．4 3 5 2 7 AD 4 RX 2 0 0 ． 5 3 4 2 8 l 0 ．6 3 3 1 AAD CL KOU T 4 ．7 k F 2 3 2 2 AD7 MODE l 1 ’0 ． 7 2 2I ’ 2． 0 21 4 V d d , R D l 7 5 一R D V d d W R 1 6 6 W R 8 一 L E 3 0 3 ALE 1 0 o n F 1 2 1 6 T 2 IN T J d 6 N1 3 7 3 I N P C A8 2 C2 5 0 4 T XD C A N HL 王 - ⋯⋯TT l 6 - ‰ou GND卜_ ．I I 卜 5 V REF RS R 2 l 1 0 0nF 3 r GND 6 Nl 3 7 5 I l GND I I 1 0 o nF 6 2 OUT d 1 在 E N 1N _ _ 【 ] 一 3 9 0 Q 图 3 综合保护 C AN接 口电路 原理图 3 软件 设计 系 统软件 采用 C语 言 开发 。CA N 总线 各 节 点 与分站间通信软件 的设计 是关键 ， 主要包 括 C AN 接口通信程序、 C AN节点初始化程序 、 C AN数据发 送 、 接 收程 序 以及 C AN 总 线 出 错 处 理 程 序 等。 C A N控制器 S J Al o o o的内部寄存器作为 W7 7 E 5 8 芯片 的片外 寄存 器 ， W7 7 E 5 8和 S J A1 0 0 0之 间状 态、 控制和数据的交换都是由 S J A1 0 0 0在复位模式 或工作模式下对这些寄存器的读写来完成的。 在初始化 C AN 内部寄存器时 ， 要注意各节点 的位速率必须一致 ， 而且收、 发双方必须同步 。数据 的接收主要有 中断和查询两种方式 。为提高通信的 实 时性 ， 采用 中断 接收方 式 ， 而且 这样 也可保 证接 收 缓存器不会出现数据溢出现象。 4 结语 采用 C AN 总线 技 术 构成 的煤 矿 井 下变 电 所 电 力监控 系统 已在 实 际中应用 ， 运 行结 果表 明 ， 该 系统 具有 良好的可靠性和抗 干扰性 ， 能更好地监控 开关 的运行状态和各参数。 维普资讯 第 4期 2 0 0 6年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 4 Au g ． 2 0 0 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 O 4 0 0 7 3 0 2 主井提升机的数字化、 网络化改造 陈艳新， 李克清 开滦集团钱家营矿业分公司， 河北 唐 山0 6 3 0 0 0 摘要 针 对钱 家营矿 业分 公 司主 井提 升机 电控 系统 分 立元 件 多、 老式模 拟量 调 节 系统 存在 设 备 老 化 、 维 护困难 、 备品备件购买不到等问题 ， 提 出了运 用 AS C S全数字调节 系统和 西门子新型 P I C S 7 3 0 0为控制 核 心 的技 术改造 方案 ， 从 而实现 了该主 井提 升机 的数 字化 、 网络 化和信 息化 改造 。 关键 词 矿 井 ； 提 升 机 ；改造 ； 数 字控 制 ；网络 化 ；信 息化 中 图分类号 T D 5 3 4 文献标 识码 B O 引言 钱 家营矿 业分 公 司 主井 装 备 1对 3 2 ． 5 t 底 卸 式箕斗 ， 1套直径 为 4 ． 5 m、 四绳落地式摩擦绞 车， 配 置 2台 2 5 0 0 k W 、 6 3 ． 7 r ／ rai n的 直 联 直 流 电 动 机 ， 最大提升速度为 1 5 m／ s 。该提升机 电控 系统为 西门子 7 0年代 的产 品， 主控 系统采用 西 门子 S 3 P I C， 调节 、 监控系统均为由大量分立元件组成的模 拟量调 节 系统 。存 在 的主要 问题 1 主控 系统 P I C为西 门子 S I E ME NS S 3 P I C， 该 型 P I C早 已 停产 ， 因此维护 困难 ， 备 品备 件不易 购买。 2 调 节 、 监控系统为由大量分立元件组成的模拟量系统 ， 随温度 环境 影响变 化大 ， 投入 运行 以来 ， 随着设 备 的 老化 ， 经常出现一些 电参数漂移或元件损坏的故障， 而且备品备件也不易购买。 3 控制系统中大量采 用继电器 ， 故 障点多 ， 不易维护。 4 电动机 功率 大， 而早期可控硅单硅容量小， 所以电动机主回路采 用五并四串的可控硅整流方式来提高功率容量 ， 双 机 电枢部 分共 用 1 2 0个 可控硅 。整 流元器 件 的大量 使用造成设备维护困难 、 故障点多。 收稿 日期 2 0 0 6 一O 6 一O 1 作者简介 陈艳新 1 9 6 3 一 。 河北唐 山人。 工程师 。 1 9 8 9年毕业 于辽宁工程技术大学。 现任 开滦集 团钱 家营矿业分公 司机 电科 副科 长 。 1 技 术 改造方 案 1 ． 1 调 节控制 系统 将原模拟量调节控制系统改造为 AS CS全数字 调速电控系统。 AS C S全数字调速电控系统采用总线结构 、 标 准模块插件结构 ， 模块可 自由配置 。基本模块包括 电源模块、 C P U模块 、 开关量输入模块 、 开关量输 出 模块、 触发脉 冲形成模 块和 A／ D转换模块 ， 各模块 之间通 过 总 线 互 相 连 接 ， 统 一 安 装 在 欧 式 标 准 1 9 ” 机箱 内 。其 中 ， C P U 模 块 采 用 先 进 的 硬件 组合 “ 单 片机 8 0 C1 9 6 KC C P I D ” ， 触发模块也采用硬件结 构“ 单片机 8 7 5 2 GAI ” ， 2 个单片机并行工作。 AS C S全数 字调 速 电控 系统 采 用 软 件灵 活 地 实 现原系统中的调节控制功能 ， 还留有通信接 口， 调试 和维护简捷方便。 改造 后 系统实 现 的功能 1 逻辑控制 ； 2 速度控制 具有预设速度 基准值 ， 力矩预 置， 限制加 、 减速过程的冲击 ， 速度 自动调节； 3 电流控制 预设电流限制值 ， 电枢电流 自动 调节 ； 4 磁场控制 预设电流限制值 ， 磁场电流 自动 调 节 ； 5 反电势控制 ； 参考文献 E z ] 邬宽明 c AN总线 原理 与应用 系统 设计[ M] 北 京 北 京航空航天大学出版社 ， 1 9 9 6 ． E l i 邬 宽明． 现场总线技 术应用 选编 上 E M] ． 北京 北 京 [ 3 ] 童长飞． C 8 0 5 1 F系列单 片机开 发与 c语 言编程 [ M] ． 航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 北京 北京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 维普资讯