龚柏宇 马伟 陈志峰 郭辉 徐立军

摘  要：煤矿设备在停止工作时电源系统依然待电，使得供电线路处于有电状态，存在电气安全风险。鉴于此，利用CAN现场总线技术，实现在煤矿井下设备停止运行时上级电源立即停电，设备启动工作时电源立即送电，做到了上级电源非用即停、用电即送。

关键词：现场总线;非用即停;用电即送;电源控制

0    引言

随着煤矿机械化、自动化设备的广泛使用，煤炭生产效率有了很大提高，煤矿吨煤耗电量及电气设备使用量也增加很快，由于井巷空间狭小、潮湿、岩石及设备拥挤，煤矿供电线路及设备漏电、人体触电、电火花引起瓦斯爆炸等风险增加。

目前，煤矿井下主要采用漏电保护装置防范线路及设备漏电事故，从原理上讲属于被动式保护，由于漏电保护装置动作影响因素比较多，在强电磁干扰环境下及接地电阻变化的条件下，漏电保护装置误动作现象时有发生，漏电保护装置不能可靠地防止漏电引起的井下供电安全事[1]。根据工作性质的不同，煤矿井下供电线路和设备有约1/3时间是处于设备暂停、供电线路待电状[2]。由于煤矿井下工作空间狭小，巷道中大量的带电线路及设备必然增加人体触电、设备漏电、出现短路火花甚至导致瓦斯爆炸事故的风险;同时，线路和设备长期带电也缩短了其使用寿命。鉴于此，本项目就从源头降低触电风险，提高煤矿井下供电可靠性进行了分析研究。

为解决上述技术问题，项目组应用CAN现场总线技术，设计研制了一种结构简单、性能可靠的主动式用电安全保护装置——煤矿非用即停电源控制装置，获得国家发明专利，专利号：ZL 2013 1 0516475.1。

1    煤矿非用即停电源控制装置工作原理

煤矿非用即停电源控制装置主要根据CAN现场总线的低电压、抗干扰、高可靠、远距离数据通信特性，进行负载与电源之间的数据传输及控制。控制系统示意图如图1所示，控制装置由负载控制器、电源控制器组成。

（1）负载控制器：負责控制信号的发送及接收。安装在负载磁力启动器内，由本安型电池供电，包括控制模块、启动按钮和停止按钮;启动按钮与负载磁力启动器的启动开关并联且机械随动，停止按钮与负载磁力启动器的停止开关串联且机械随动;负载控制器在启动（停止）按钮按下时发出启动（停止）信号，通过现场总线传输至电源控制器，发出启动（停止）信号，如图1所示。

（2）电源控制器：安装在电源开关箱内，与负载控制器通过CAN现场总线连接，在设备启动时，负载控制器发出启动信号，通过微处理器转变为CAN现场总线规定的信号，经过总线网络，电源控制器接收启动信号，通过微处理器处理，输出控制信号，驱动电源开关闭合，对负载输出动力电流。

在设备停止时，按下负载磁力启动器停止开关，负载控制器向电源控制器发出停止信号，经过总线传输，电源控制器接收到信号，控制电源开关跳闸，断开电源开关电源。

本设计使得煤矿井下生产设备停运时，供电线路即时停电，生产设备启动时，电源线路即刻供电，实现了电源的非用即停，供电方式由过去的被动式供电转变为主动保护型按需供电，可以提高供电安全程度，减少漏电事故的发生;同时也降低了电源的冗余成本，减少了供电系统的待机功耗。

负载控制器通过CAN现场总线与电源控制器进行网络通信，在煤矿中要求控制系统满足本质安全条件，要求信号电压低、抗干扰、远距离传输。微处理器PIC18F458内部具有CAN模块，CAN现场总线可以在煤矿较大噪声环境中进行通信，具有良好的抗干扰性能。利用PIC18F458作为通信驱动器在负载控制器和电源控制器之间进行双向、串行、多节点的数字通信，完成煤矿巷道设备之间的数据远程通信及逻辑控制[3]。

装置还可实现煤矿供电网络中大范围、长距离、多点互动的供电闭锁、风电闭锁、瓦斯电闭锁、顺序控制等功能，具有远程控制（控制距离可达10 km）、定时控制、过载、过热、短路、过压、漏电自动远程断电以及用电量信息上传等智能化功能。

2    CAN总线控制电路分析

如图2所示，负载控制器电路的核心是微芯公司的微处理器PIC18F458，其工作过程是：负载控制器发出控制信号，输入微处理器PIC18F458，经过PIC18F458内部的CAN模块编码，向微芯公司的功率驱动放大器MCP2551发出符合CAN通信协议的信号，信号经网络传输线输入电源控制器。

电源控制器与负载控制器结构原理类似，在接收到负载控制器信号后，在PIC18F458的CAN模块进行解析，输出控制信号，驱动电源开关动作。控制器的基本参数和通信数据通过MAX232串口通信芯片在显示终端LCD进行显示。装置采用本安电池作为供电电源，分别为微处理器系统和数据通信提供电压。根据通信线路长短，制定通信速率，在1 Mbps/40 m和5 kbps/10 km之间[4]。

3    结语

本文针对煤矿井下安全供电存在的普遍问题进行研究，应用CAN现场总线技术，设计了煤矿井下非用即停电源控制装置，解决了煤矿井下主动式用电安全保护问题，提高了煤矿安全生产水平。

[参考文献]

[1] 王兴栋，王军领.煤矿井下高压供电线路漏电故障预防和检查[J].山东工业技术，2014（19）：77.

[2] 许鹏.煤矿供电系统现存问题分析与解决对策研究[J].机电工程技术，2018，47（6）：146-147.

[3] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN现场总线系统的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 刘和平，刘钊，郑群英，等.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

收稿日期：2020-07-03

作者简介：龚柏宇（1978—），男，湖南浏阳人，工程师，研究方向：煤矿机电及现场总线技术。