CAN总线在煤矿多回路电磁起动器中的应用

张超（兖矿东华重工有限公司机电装备制造分公司,山东邹城273500）

CAN总线在煤矿多回路电磁起动器中的应用

张超
（兖矿东华重工有限公司机电装备制造分公司,山东邹城273500）

摘要：本文根据设计的多回路磁力起动器的特点及要求，对通信系统采用分层、分布式结构设计，多回路电磁起动器上位机控制单元(PLC)与下位机保护测控单元(保护卡)之间采用CAN接口实现信息交换，并预留以太网接口，完成对多台驱动设备的集中控制与保护。

关键词：CAN总线；多回路磁力起动器；PLC

0引言

多回路电磁起动器主要是用于采煤、掘进工作面，对工作面的各负荷进行集中控制与保护的电气设备。根据现场设备保护和控制的需要，基于微电子和现场总线技术，设计具有一定通信功能和逻辑判断能力的多回路电磁起动器，实现对多台电机的监控、保护及状态管理等功能。

1CAN通信结构及特点

CAN即控制器局域网，遵循现场总线协议。CAN总线通信结构由PLC、CAN通信网络节点和CAN转发器节点等部分构成，其数据通信主要特点：

（1）CAN总线为多主方式通信，总线网络上任何一个节点均可在任意时刻主动地、不分主从地向其它节点发送信息。

（2）CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的网络节点会主动退出发送，而最高优先级的网络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。尤其是在总线网络负载很重的情况下，也不会出现总线网络瘫痪情况。

（3）与传统的站地址编码不同，CAN通信系统对数据块进行编码，使得网络内的节点个数不受限制。

（4）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。̓̓（5）CAN的直接通信距离最远可达10km（速率在5kbps

以下）；通信速率最高可达在1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

（6）采用短帧结构发送数据，每帧信息都采用了CRC帧校验及其他检错技术，数据传输高效、准确，实时性好。

（7）CAN节点有错误严重的情况下，有自动关闭功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

（8）CAN总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。

根据CAN通信的结构特点，提出了多回路电磁起动器的通信结构，结构示意图如图1所示。̓̓

图1系统结构示意图

上位机PLC和下位机保护卡之间组成典型的分布式通信系统，以主从方式进行通信，系统中仅需要1个上位机PLC，既可以与各下位机保护卡分别进行点对点的双向通信，也可以同时和所有从机进行一点对多点的单向通信，即PLC向所有从机传输数据或命令。

2通信硬件设计

2.1PLC的CAN通信

PLC选用的是贝加莱CPU模块型号为7CP476-020.9，其自身有1 个CAN接口，完全支持国际CANV2.0B技术规范。能发送和接收标准数据和扩展数据帧以及远程帧数字字节。

2.2保护卡通信设计

CAN总线通信系统，CAN节点的设计是很重要的一个环节。保护卡的CAN总线通信模块由MICROCHIP公司dsPIC30f6014a数字信号处理器内部提供的CAN模块和新的CTM系列隔离CAN收发器模块组成。

电路设计中采用的CAN收发器模块CTM1050，它是一款带隔离功能的高速CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所必需的CAN隔离器件及CAN收、发器件，可以很好地实现CAN总线上各节点电气、电源之间的完全隔离和独立，提高了CAN总线通信中各个节点的稳定性和安全性。CTM1050的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能及ESD保护作用。

磁力启动器中保护卡CAN总线通信节点硬件单元原理图如图2所示。

图2保护卡CAN总线通信节点硬件原理图

在以往的设计中需要光耦、DC/DC隔离、CAN收发器等其他元器件才能实现带隔离的CAN收发电路，本文使用CTM1050接口芯片直接与CAN协议控制器相连就可以实现带隔离的CAN收发电路，其接口简单，方便。

3通信规约

CAN总线的接口帧格式有标准帧和扩展帧两种。本多回路真空电磁起动器CAN总线通信协议中接口帧格式工作于增强模式，以扩展帧方式传递报文。标识码29位，报文长度0～8字节可选。总线传输速率为20kbps。

在总线系统参数配置中，重点考虑29位标识符的分配，因为标识符是唯一区分多回路真空电磁起动器内不同保护卡位置和命令类型的识别码。本通信系统中，标识符各位具体分配如表1所示。

（1）保留地址：由于CAN总线为多主工作模式，CAN节点从本质上无主从之分。而在本多回路电磁起动器采用主从通信，为区分上行响应帧和下行命令帧，加入保留地址加以区别。当CID1=0x02时，表示为下行命令帧；当CID1=0x36时，表示为上行响应帧。

（2）开关地址：表示各保护卡或绝缘检测卡地址，为1字节。本多回路真空电磁起动器中，地址范围从0~15。

（3）命令码：命令类型的具体描述，包括有获取遥测+遥信量命令、起停控制命令、试验控制命令、设置参数命令、获取故障信息命令和绝缘检测命令等。

（4）命令码的组合信息：PLC下发命令帧中对应的具体命令操作。

地址(ADR)作为唯一区别不同下位机CAN节点的标志，需要经过过滤器。另一部分需要过滤的是命令码(CMD)，CMD中有1个字节是确定的数据，因此可以通过过滤提高获取命令帧的检错性能。

表1标识码各位定义

4磁力启动中的通信的抗干扰功能

由于PLC和保护板内单片机均工作于多回路真空电磁起动器隔爆腔体内，距离较近，所以电磁起动器内部CAN总线通信系统的设计不需考虑通信距离的要求，但是电动机起停所造成的电磁波会严重干扰CAN总线通信系统正常工作，本文从硬件和软件两方面采取抗干扰措施以保证通信可靠性。

在硬件设计方面：

（1）要先经过光电耦合器才能与单片机系统通信；

（2）采用带屏蔽层的双绞线进行信号传输，并匹配终端电阻。两种硬件电路的抗干扰设计措施有效地提高了CAN总线通信系统的可靠性，并能够保证单片机系统的工作稳定性。

在软件方面：

（1）设计了合理的字节和数据校验方式，采取了可靠的数据传送和接收方式，有效地保证了数据传输的准确性；

（2）选择合适的通信速率。

为了完全适应CAN总线通信协议及通信响应速度问题，磁力启动选用的PLC采用字符中断控制方式，来接收和发送字节数据，接收每个字节数据都会产生中断，可以保证在较高波特率时不会丢失字节数据。由于仅使用两根线进行数据传输，所以不能用硬件握手信号作为检测手段。为了防止产生误码，本系统采用软件验证握手协议以保证通信的可靠性。PLC和单片机之间采用主一从通信方式，即PLC作为主站发起通信，单片机作为从站响应通信。

由以上分析可知，采取有效的抗干扰措施可以保证采用CAN通信方式来实现PLC与单片机之间的通信功能的正常实现。

5结语

本文介绍了CAN通信的结构特点，分析了多回路真空电磁起动器的通信结构，研究了CAN总线通信的硬件设计及抗干扰措施，实现了PLC与单片机正常的通信功能。

参考文献：

[1]贝加莱工业自动化[Z].AutomationStudio基础.

[2]何衍庆，戴自祥，俞金寿.可编程序控制器原理及应用技巧[M].北京:化学工业出版社,2003.

[3]饶运涛，邹继军，王进宏，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社.

作者简介：张超（1971-），男，工程师，主要从事煤矿电气产品设计、应用工作。