淄博王庄煤矿有限公司 山东省淄博市 255400
摘要：对于微电子系统来说浪涌防护是非常关键的一环，对于电子信息系统，尤其是煤矿的安全监控系统，随着井下电子信息设备越来越多，如果遭遇浪涌，对电子信息设备的影响大，因此为维护煤矿安全监控系统的安全正常运行，探索其浪涌防护技术将具有显著现实意义。
关键词：CAN总线；煤矿；安全监控系统；浪涌防护
引言：基于CAN总线的煤矿安全监控系统进行防浪涌设计，在实践当中产生了应有的效果，通过在系统的直流电源端口和信号端口构造多级防护，并利用500V浪涌信号对该多级保护体系进行实际测试表明，经过多级保护电路的限制，在靠近电源芯片的峰值电压为30V，信号端的峰值则为29.6V，基本上可知上述方法是有效的。但在实际测试当中发现GDT因为响应动作比较慢而存在漏掉峰值电压的可能，好在下级的保护器提供了快速响应能力，可保护系统，但对下级保护器的使用寿命影响非常大。所以在实际的设计当中关键还是要选对保护器。只要保护器选对，在浪涌保护设计时，难度就很低了。
1.CAN物理层原理
CAN只定义了ISO/OSI模型中全部七层中的两层：数据链路层和物理层。本文从CAN的抗浪涌干扰能力出发，所以只从CAN的物理层结构出发进行分析。CAN总线式的拓扑结构如图1所示。CAN可以通过中继器改变拓扑结构，如星型、网状等结构。短截线长度小于0.3m。总线两端必须加终端电阻，典型值为120Ω。终端电阻第一起到阻抗匹配的作用，一般CAN线缆交流阻抗为120Ω(与线缆长度无关)，CAN节点输入阻抗很大，为使得电流从CAN-高顺利流到CAN-低，回路阻抗必须连续减小信号反射因此在终端并联120Ω电阻。第二起到放电的作用，CAN收发器由隐形变成显形有晶体管驱动，所以上升沿很陡峭，但从显形回到隐形需要终端电阻放电，否则就会因为导线分布电容，缓慢放电，可能导致位宽错误。
图1.CAN总线拓扑结构：
2.煤矿安全监控系统浪涌防护分析
2.1关于基于CAN总线的安全监控系统浪涌防护思考
在煤矿安全监控系统的设计当中[1]，CAN总线是一种常用的现场总线，在煤矿生产现场，安全监控系统的运行可靠性非常重要，CAN总线如果遭遇浪涌那么将可能造成极大的危害，所以研究煤矿安全监控系统的浪涌防护技术具有显著现实意义。在CAN总线的浪涌防护当中，目前国内外通常使用浪涌防护装备来抑制浪涌，包括GDT、MOV、TVS、TSS等，这些防浪涌元器件基本上都是非线性元件，在设计当中通常会布置在CAN接口的电路两端，并且并联在电路当中。这些防浪涌元器件相对来说都能够起到比较好的浪涌防护作用，但是因为设备的响应时间、流通容量、钳位电压等不一样，如果用在CAN总线当中哪种性能会更好，目前来说尚没有一个较为准确的定论。在煤矿的安全监控系统设计当中往往会凭借经验来进行设计，可能会造成在后续使用当中不满足可靠性要求。在一个典型的基于CAN总线的煤矿安全监控系统中，由一台工业控制计算机作为上位机对整个系统进行管理，上位机通过CAN总线连接生产现场的分站。在现场的分站每一个分站接点都有内嵌CPU，有各种传感器[2]。CPU将各种传感器的信号转化成CAN标准信号，在将信号上传上位机并转发到执行器接点。一个典型的井下分站包括总线，CAN收发器，光电耦合器，CAM控制器，CPU，数字量输入电路和数字量输出电路。其下还有传感器，执行单元等硬件。对于CAN现场总线而言，耦合途径是浪涌的主要传导方式，对于硬件设备而言，对浪涌最敏感的设备是CAN接口电路，因此在基于CAN总线的煤矿安全监控系统设计时，考虑从三个方向上来进行防浪涌，包括抑制干扰源，削弱干扰源的影响力，切断耦合途径，提高敏感设备的抗干扰能力。
2.2煤矿安全监控系统浪涌防护
为了保证安全监控系统浪涌防护体系的有效性，考虑在总线及接口之间加入防浪涌设计。一般的浪涌防护，可以考虑在CAN接口前串联一个阻抗，利用阻抗来对抗孙太电流，在低频时该阻抗为电阻或者电感。在导线之间以及导线与地之间要并联一个阻抗，该阻抗用来抑制电磁暂态，这个阻抗一般可用GDT、TVS等。当总线当中传输的信号远低于出现的干扰信号时，该阻抗就可以作为电容存在于电路当中[3]，并且与串联的另一个阻抗形成低通滤波器。当总线中传输的有用信号大时，那么并联的阻抗就可以作为电感存在于电路中，并且与串联阻抗组成高通滤波器。在考虑做浪涌防护体系时，要注意，保护电路不能对系统产生影响，但可能因为电磁环境比较恶劣而降低保护的效果，所以在设计浪涌保护体系时，务必要选对浪涌抑制器，要准确地把握不同抑制器的性能，防止浪涌保护器的一些非理想的特性对系统造成影响。而要保证保护电路的效果，主要还要考虑保护器件的残压水平，保护效果越好，那么残压水平与被保护电路的工作电压越相近。这是理想状态下的情况，现实当中并没有必要去追求低残压水平，因为过分的追求低残压水平可能导致保护电路本身性能缩减。所以在设计浪涌防护体系时，一般都考虑做多级防护，利用不同浪涌保护器的性能特性来进行合理的组合，形成多级保护的效果。例如，将GDT或MOV作为第一级保护，因为这两类保护器能够泄放较大的过电流，可以降低后面设备因为过电流带来的冲击。在第二级保护中一般可以用MOV或TVS来进一步降低过电流。如果在加上一个钳位元件来做第三级保护，那么则可以将保护电路中的设备的电位限制在一个极低的水平，这一类钳位元件通常可以用TVS或TSS来构成[4]。
结论：
简而言之，文章根据GB/T17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》对互连线浪涌的测试要求，对CAN总线原理进行简要研究分析，提出一种针对于煤矿安全监控系统CAN总线的浪涌测试方法。
参考文献：
[1]国家煤矿安监局:对煤矿安全监控系统进行全面升级改造[J].中国安防,2017,(24):15-15.
[2]樊晓明.煤矿安全监控系统隐患治理及系统升级改造探讨[J].山东煤炭科技,2016,(10):56-58.
[3]李伟忠.煤矿安全监控系统升级改造方案设计与实现[J].河北工业科技,2019,26(5):403-405.
[4]张灵仙.煤矿安全生产监控系统的升级与改造[J].矿业安全与环保,2018,30(z1):81-82.
论文作者:郭传军
论文发表刊物:《防护工程》2019年16期
论文发表时间:2019/12/16
标签：浪涌论文; 总线论文; 监控系统论文; 阻抗论文; 防护论文; 煤矿安全论文; 电路论文; 《防护工程》2019年16期论文;