CANopen总线在煤矿采掘设备的应用

唐会成

摘要：介绍了CANopen总线通信协议的核心概念，根据煤矿井下采掘设备的实际运行工况，设计基于CANopen协议的煤矿采掘设备电气控制系统，提高了设备电控系统性能及可靠性，降低了电控系统的故障率。

关键词：CANopen协议；采掘设备；可靠性

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0144-02

煤矿井下采掘设备电气控制系统的发展与采矿技术的发展密切相关。我国井下煤炭开采经过几十年的发展，已经从简单机械开采发展的自动化开采阶段，随着煤矿自动化开采设备的发展，采掘设备的电气控制系统性能要求越来越高。作为采掘设备的主要组成部分，电气控制系统的可靠性直接影响煤矿的生产效率，先进的技术将有助于降低工人的劳动强度，提高设备的使用寿命。

CANopen协议是CAN-in-Automation（CiA）定义的标准之一，是一种建立在CAN总线上的高级协议，通讯和服务协议子集包括通讯子协定及设备子协定，广泛应用于现代控制领域的各个行业，本文阐述通过Inter Control构建CANopen总线分布式控制系统，优化电控系统的结构，提高控制系统的可靠性，从而促进了生产效率的提高。

1 CANopen通信协议的剖析

CANopen是一个基于CAN串行总线系统和CAL（CAN应用层）的高层协议。 CANopen的核心概念是设备的结构模型，设备结构模型构成完整CANopen设备，CANopen设备结构如图1所示。

通讯接口单元依据通讯协议处理CANopen主站与其网络上其他节点数据通讯，主站可以管理网络节点工作状态包括设备的启动、初始化、配置和网络管理。网络管理中，同一个网络中只允许有一个主节点、一个或多个从节点，并遵循主/从模式。服务数据对象（SDO）主要功能通过网络节点的对象字典，读取或设定数据。过程数据对象（PDO） 协议主要功能网络节点间数据交互。

对象字典（OD：ObjectDictionary），对象字典是一个包含16位的索引和8位子索引的一个有序的对象组，包含该设备的描述及其网络行为数据；CANopen通讯通过对象字典（OD）能够访问驱动器的所有参数。

应用部分用户根据设备的实际类型及应用要求编写的设备应用软件。通过设备通信子协议（Communication Profile）描述对象字典的主要形式，以及对象字典中的通信对象和参数。这是一个CANopen设备的核心部分。

2 电气系统硬件组成

采掘设备电控系统的基于CANopen协议分布式控制系统，其实现了多個电机的启停控制、传感器数据采集、多种保护、运行状态实时显示以及远程遥控的联合控制。控制系统CANopen总线拓扑结构如图2所示。

主控制器负责各个电机启停控制和PWM输出控制电液比例阀。从控制器主要功能是通过保护器实现系统各种保护和多个传感器数据的采集。HMI人机界面功能是显示电控系统工作状态以及设备运行的电压和电流等参数。遥控接收机功能是将遥控发射机发射的控制信号传输到总线。总线节点通过CANopen网络实现数据可靠传输。

3 Inter Control控制器程序设计

控制器的编程软件PROSYD 1131符合IEC 61131-3国际标准，因此支持丰富的编程语言。控制器程序主要采用结构化语句程序设计语言（ST）和功能块程序设计语言（FBD）来实现系统的各个功能。ST语言采用了类似于高级语言的程序结构，在开发较复杂的应用程序时更为简便快捷。

控制程序由主程序和CANopen通讯子程序、电机控制子程序、PWM控制子程序、显示子程序以及掉电存储子程序等组成。控制器程序流程图如图3所示。

主控制器作为CANopen总线的主站，负责管理网络，网络各节点启动和停止、网络节点检查以及网络组建等作用。主站通过对网络节点设备对象字典的配置或通过拨码开关对节点站号进行配置。控制器上电执行系统的初始化，然后将所有从节点添加为网络节点并启动各从节点的心跳监测。主节点通过监测总线上每个节点周期性心跳报文（Heartbeat）来判断各从节点的工作状态。各从节点向主节点发送Boot-up报文，通知主节点已进入预操作（Pre-operational）状态。主从节点采用PDO信息的同步周期方式，实现指令和运行信息的双向读取。PDO信息在CANopen网络上实现一点对多点的数据传输即每个PDO可以传输8个字节的数据，CANopen网络上PDO信息的读写就是数据在映像地址区的读写，各节点都能够根据映像地址读写需要的PDO信息。

PWM子程序调节控制器PWM输出以达到控制电流比较阀的目的。控制器将系统电压、截割电流、截割电机温度等参数传输给显示箱。显示箱通过内部程序运算实现对掘进机油缸位移、截割牵引力等整机参数的监测及动态特征提取，通过与截割试验所得的工况特征比较，为截割参数最优匹配、控制系统的决策提供依据。当电控系统出现故障时，控制器会实时存储故障发生的时间和类型，通过操作箱上的“查询”开关可以查看历史故障信息，为用户排除故障和设备检修提供帮助。

4 结语

采用Inter Control控制器基于CANopen总线的分布式控制系统，已经成功应用在我公司的采掘设备电控系统中。CANopen协议实现了电控系统中各种数据的实时可靠传输，克服了PLC电控系统接线复杂和故障点多的问题。同时CANopen协议具有良好兼容性，为系统功能的扩展提供了极大的方便。

参考文献

[1]任玮蒙，陶维青.基于CAN总线的高层协议CANopen[J].自动化技术与应用，2007，26（4）：128-130.

[2]刘国鹏.基于CANopen通信协议的工程机械控制器在掘进机中的应用[J].煤矿机电，2015，（3）：81-84.

[3]Inter Control公司《Inter Control产品使用指南》.

[4]赵天洪.现场总线与控制系统[J].电力系统自动化，2000，24（13）：62-65.