隨著煤礦開采數(shù)智賦能的不斷發(fā)展，井下設(shè)備向著智能化、集成化、輕便化發(fā)展，井下的液壓設(shè)備中液壓電磁閥作為電液系統(tǒng)的執(zhí)行元件控制著液壓方向和流速，是電液系統(tǒng)中的重要執(zhí)行單元，通常1個液壓系統(tǒng)中會使用多組電磁閥，以實(shí)現(xiàn)油缸或馬達(dá)的運(yùn)動。

文章來源：《智能礦山》2026年第3期“革新·改造：優(yōu)秀QC成果”欄目

第一作者：王興，碩士，主要從事煤礦鉆探裝備的相關(guān)研究工作。E-mail：2444015259@qq.com

通訊作者：韓鑫，工程師，碩士，主要從事煤礦鉆探裝備方面的相關(guān)研究工作。 E-mail：815512919@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司

引用格式：王興，韓鑫，周濤，等. 基于 CAN 總線環(huán)網(wǎng)的井下液壓設(shè)備多路閥控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 智能礦山，2026，7（2）：37-42.

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傳統(tǒng)多路閥控制系統(tǒng)存在電纜冗長、安裝維修不便、隔爆元器件體積大功率高、隔爆型電磁閥接線不便、多路閥智能程度低、不具備數(shù)據(jù)上傳能力等。為解決此問題，提出一種基于CAN總線環(huán)網(wǎng)的多路閥控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)利用CAN總線通信的高可靠性和實(shí)時性，結(jié)合環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的冗余性和穩(wěn)定性，融合順序?qū)ぶ芬绘I配置的便捷性和通用性，實(shí)現(xiàn)對多路閥的精確控制。

CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥控制系統(tǒng)架構(gòu)

CAN總線環(huán)網(wǎng)的多路閥控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，虛線框內(nèi)為多個電磁鐵組成級聯(lián)，理論上CAN總線環(huán)網(wǎng)上可掛載無限個電磁閥，但由于電的最大電流限制，最多可支持28個電磁鐵工作，且最多實(shí)現(xiàn)6個電磁鐵同時工作。

圖1 CAN總線環(huán)網(wǎng)的多路閥控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

電磁鐵通過航空插頭連接，更換迅速便捷；通信除了有線的CAN總線外，還支持2.4 G WiFi通信，實(shí)現(xiàn)電磁鐵狀態(tài)監(jiān)視和控制。

CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計及研究

CAN總線采用CAN2.0A協(xié)議，波特率最大為1 Mbit/s。CAN總線電磁鐵監(jiān)控器作為管理和監(jiān)控中心，對環(huán)網(wǎng)內(nèi)電磁鐵狀態(tài)查看及執(zhí)行動作的控制和地址分配。

（1）CAN總線電磁鐵設(shè)計

常用電磁鐵并不帶有CAN總線能力，因此需要在現(xiàn)有電磁鐵中附加上CAN控制電路板，使其具備總線功能。為實(shí)現(xiàn)便捷性，電路板與電磁鐵采用端子拔插連接，電磁鐵內(nèi)部澆封，電路板為本安型，可通過螺絲密封安裝，在保證便捷性的同時也保障了其在煤礦井下使用的安全性。CAN總線電磁鐵安裝示意如圖2所示，本安型電磁鐵更利于煤礦井下拆裝維護(hù)，提高處理故障的效率，相比常規(guī)隔爆型電磁鐵其體積更小、質(zhì)量更輕，本安型與常規(guī)隔爆型對比如圖3所示。

圖2 CAN總線電磁鐵安裝示意

圖3 本安型與常規(guī)隔爆型對比

（2）CAN總線電磁鐵監(jiān)控器設(shè)計

CAN總線電磁鐵監(jiān)控器（簡稱監(jiān)控器）主要功能為實(shí)時監(jiān)測和控制電磁鐵的工作狀態(tài)，包括電磁鐵的開關(guān)狀態(tài)、電流等。通過監(jiān)控器可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)其他控制器中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警。

監(jiān)控器主要由網(wǎng)關(guān)電路板、隔離電路板、電源模塊3部分組成。電源模塊將127 V交流轉(zhuǎn)換為2路12 V直流，為控網(wǎng)管電路板和外部CAN總線電磁鐵提供電源。隔離電路板將網(wǎng)關(guān)電路板中的CAN總線、RS485總線和以太網(wǎng)通信與其他隔爆電氣設(shè)備之間的接口隔離開，提高使用安全性。網(wǎng)關(guān)電路板掛載在CAN總線中，監(jiān)控總線上所有電磁鐵狀態(tài)，并使用2.4 G WiFi通信方式將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)移動端和移動遙控器等設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，CAN總線監(jiān)控器如圖4所示。

圖4 CAN總線監(jiān)控器

（3）CAN總線環(huán)網(wǎng)設(shè)計

CAN總線物理層采用雙絞線差分傳輸，以提高抗干擾能力，使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit/s，適用于實(shí)時控制系統(tǒng)。在1個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，布設(shè)方式主要為點(diǎn)對點(diǎn)連接、手拉手連接以及環(huán)網(wǎng)連接。環(huán)網(wǎng)連接模式為閉環(huán)連接模式，安全性較高，閉環(huán)結(jié)構(gòu)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 閉環(huán)結(jié)構(gòu)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

在CAN總線上，消息以廣播的方式發(fā)送，即所有節(jié)點(diǎn)（電磁閥）都可以接收消息，每個節(jié)點(diǎn)通過消息標(biāo)識符區(qū)分，類似節(jié)點(diǎn)的通信地址，在CAN2.0A（標(biāo)準(zhǔn)幀）協(xié)議中，標(biāo)識符為11位，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時，會在消息頭部添加標(biāo)識符；其他節(jié)點(diǎn)收到消息后，會根據(jù)消息中的標(biāo)識符以及自身消息過濾規(guī)則進(jìn)行比較，若不滿足規(guī)則，則不接收此信息。

掛載在CAN總線上的不同節(jié)點(diǎn)都需要分配唯一的標(biāo)識符，當(dāng)總線環(huán)網(wǎng)中某個電磁閥故障后更換新的電磁閥時，需要重新配置標(biāo)識符，且標(biāo)識符要與之前節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符一致，才能夠在不修改監(jiān)控器程序代碼的情況下完成替換，而修改電磁閥的標(biāo)識符需要拆開使用撥碼開關(guān)選擇，或通過有線連接到配置軟件，進(jìn)行單個電磁閥標(biāo)識符配置，操作步驟繁瑣且要求井下工人要有較高維修水平。

因此，在CAN總線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，新增了順序地址遍歷通信，即采用不需要標(biāo)識符或地址的通信手段，順序?qū)ぶ访總€節(jié)點(diǎn)。帶順序?qū)ぶ返腃AN總線網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，GND、RX和TX為監(jiān)控器對各電磁閥進(jìn)行順序?qū)ぶ返耐ㄐ?，采用RS232串行通信協(xié)議，全雙工的收發(fā)模式，由監(jiān)控器作為數(shù)據(jù)發(fā)送端逐個順序發(fā)送，整個流程為以下5個步驟。

圖6 帶順序?qū)ぶ返腃AN總線網(wǎng)絡(luò)

（a）監(jiān)控器將數(shù)據(jù)通過TX和GND通信線將數(shù)據(jù)發(fā)送到第1個節(jié)點(diǎn)。

（b）電磁閥1接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（c）電磁閥1將分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

（d）電磁閥1將整合后的數(shù)據(jù)通過TX和GND通信線下發(fā)到下1級節(jié)點(diǎn)。

（e）電磁閥2重復(fù)步驟（b）（c）（d），以此類推。

因此，在順序?qū)ぶ愤^程中每個節(jié)點(diǎn)之間需要區(qū)分前后順序，即其物理位置和通信位置一致，皆為相對位置，由于RS232是點(diǎn)對點(diǎn)通信，通常傳輸距離為15 m，且可通過級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，滿足大多數(shù)液壓系統(tǒng)電磁閥的物理距離。

2.2 軟件設(shè)計及研究

軟件設(shè)計包含下位機(jī)程序（CAN總線監(jiān)控器程序和CAN總線電磁閥程序）和上位機(jī)程序（手機(jī)等移動端網(wǎng)頁監(jiān)控配置）。CAN總線電磁閥程序主要分為2部分，電磁閥狀態(tài)控制命令等數(shù)據(jù)收發(fā)和驅(qū)動電磁閥動作（開關(guān)量或比例量動作）執(zhí)行，電磁閥作為CAN總線上的1個節(jié)點(diǎn)，只需要接收監(jiān)控器下發(fā)的控制指令后執(zhí)行，并定時上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)即可。

CAN總線監(jiān)控器則作為所有電磁閥數(shù)據(jù)的管理中心，分配電磁閥節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符，存儲關(guān)鍵信息，且作為上位機(jī)統(tǒng)一管理CAN總線電磁閥的1個中轉(zhuǎn)，除了需要管理節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸，還可將CAN總線電磁閥中的數(shù)據(jù)，通過不同通信手段進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳功能（CAN總線、RS485總線、以太網(wǎng)、2.4 G WiFi），CAN總線監(jiān)控器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7所示。

圖7 CAN總線監(jiān)控器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

CAN總線監(jiān)控器還可以使用RS232通信手段順序?qū)ぶ?，可?shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符一鍵配置，順序?qū)ぶ吩砣鐖D8所示，箭頭向下為通過RS232通信進(jìn)行順序?qū)ぶ罚瑢ぶ返焦?jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)則通過CAN總線將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的出廠編號（唯一識別碼）、標(biāo)識符、電磁閥型號、開關(guān)狀態(tài)等信息發(fā)送到CAN環(huán)網(wǎng)中，監(jiān)控器則通過接收到數(shù)據(jù)的先后順序，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處于的物理連接位置，由此可得到各節(jié)點(diǎn)按照順序的CAN總線標(biāo)識符，若出現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符一致或需要重新配置標(biāo)識符時，可通過RS232通信方式，逐個將要配置的標(biāo)識符下發(fā)到各個節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一鍵配置CAN節(jié)點(diǎn)地址的功能，節(jié)省更換電磁閥需要更改節(jié)點(diǎn)地址的時間，提升效率。

圖8 順序?qū)ぶ吩?/span>

所有的配置、數(shù)據(jù)查看、實(shí)時控制都可以通過有線或無線的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，其中移動端可以通過2.4 G WiFi連接到監(jiān)控器中，采用網(wǎng)頁方式進(jìn)入上位機(jī)程序界面，查看各電磁閥節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，并且對電磁閥節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時控制和配置等，上位機(jī)控制界面如圖9所示，圖中ID為“0x04”的電磁閥測試界面，可通過拖動轉(zhuǎn)盤指針或輸入控制量來實(shí)現(xiàn)電磁閥A、B的2路控制開度，并且可查看當(dāng)前電磁閥電流，用以判斷動作是否執(zhí)行到位，完成閉環(huán)控制。

圖9 上位機(jī)控制界面

試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 通信與控制性能

在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)掉包率為重要的性能指標(biāo)，衡量數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失的比率。CAN通信作為電磁閥控制的主要通信，RS232通信作為電磁閥配置的輔助通信，為整個系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，也是故障中需要排查的方向。

首先確保所有電磁閥節(jié)點(diǎn)和通信設(shè)備都已正確連接并配置完成，再使用CAN總線分析儀接入CAN環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，使用RS232接收器接入最后1個電磁閥節(jié)點(diǎn)。電磁閥監(jiān)控器持續(xù)下發(fā)數(shù)據(jù)包，通過檢測CAN總線分析儀和RS232接收器收到的數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)掉包率，不同情況下通信掉包率見表1。

表1 不同情況下通信掉包率

在CAN總線通信和RS232通信中，選用煤礦用帶屏蔽抗干擾的雙絞線，且監(jiān)控器與電磁閥之間處于同1個液壓系統(tǒng)內(nèi)距離≤10 m，滿足數(shù)據(jù)通信要求。

在液壓控制系統(tǒng)中，流量、壓力、泄漏量、響應(yīng)時間、動態(tài)響應(yīng)特性等因素確定了液壓系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，對液壓的控制主要取決于電磁閥的流量特性，以L機(jī)能閥芯（63 L/min）為例，其電流與流量特性曲線如圖10所示，負(fù)載敏感電磁閥的電信號（電流）與開度（流量）控制滿足煤礦液壓系統(tǒng)的使用要求。

圖10 電流與流量特性曲線

3.2 總體效果對比

傳統(tǒng)液壓控制采用“星形”接法，而采用基于CAN總線環(huán)網(wǎng)的“環(huán)形”連接方式，電磁閥接線方式對比如圖11所示。

圖11 電磁閥接線方式對比

傳統(tǒng)液壓電磁閥需要將液壓電磁閥電源和控制線以獨(dú)立節(jié)點(diǎn)方式接入控制箱中，接線方式混亂，排查故障繁瑣；基于CAN總線環(huán)網(wǎng)電磁閥的連接方式，線纜減少便于電磁閥的安裝維護(hù)，降低線纜成本，提升設(shè)備安裝和維護(hù)效率。本安型電磁閥相較于隔爆型電磁閥，在井下拆裝更為方便，電磁閥電路控制部分與閥體為獨(dú)立可拆卸的2個單元，本安型在外殼設(shè)計上也較為輕便，本安電磁閥分體式內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 本安電磁閥分體式內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)電磁閥出現(xiàn)故障時，直接更換控制部分，無需拆卸液壓閥芯部分，帶總線型的電磁閥還需要配置每個電磁閥地址，而普通總線地址配置在井下操作繁瑣，普通工人無法完成，大多需要在地面完成地址配置，增加了維護(hù)難度和時間。CAN總線帶有“尋址”功能，可實(shí)現(xiàn)“一鍵配置”，簡化了地址配置方式，提升了維護(hù)效率，拆裝和地址配置總時間對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，CAN總線本安型電磁閥拆裝便捷，線纜整齊簡潔，節(jié)點(diǎn)地址配置簡單，在裝配和維護(hù)過程中減少拆裝時間，提升效率66.7%。

表2 電磁閥拆裝及地址配置時間對比

現(xiàn)場應(yīng)用效果

CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥控制系統(tǒng)已在全國各大煤礦批量推廣應(yīng)用，特別是在淮南、淮北、河南等地區(qū)，應(yīng)用于煤礦自動鉆機(jī)智能化集控系統(tǒng)中礦用振動篩式固液分離機(jī)，通過CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥的控制系統(tǒng)，完成對自動鉆機(jī)出孔排渣分離的集中控制，具體針對水路、隔膜泵、風(fēng)除塵、水除塵、噴霧、風(fēng)路、進(jìn)料絞龍、出料絞龍等多個電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)了自動打鉆過程中的渣水分離風(fēng)水聯(lián)動。CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥應(yīng)用場景如圖13所示，左側(cè)第1個紅框?yàn)榈V用本安電磁閥組，左側(cè)第2個紅框?yàn)楦舯姹景搽姶砰y監(jiān)控器，在設(shè)備運(yùn)行期間，各路電磁閥整體性能穩(wěn)定、控制平滑無卡阻，通過更換電磁閥并“一鍵配置”，即可快速處理故障，使得維護(hù)更簡單、高效、維護(hù)成本更低。

圖13 CAN總線環(huán)網(wǎng)多路閥應(yīng)用場景

總 結(jié)

（1）詳細(xì)分析了基于CAN總線環(huán)網(wǎng)的多路閥控制系統(tǒng)設(shè)計原理和方法，且通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

（2）電磁鐵采用本安形式，功耗較小且減輕了質(zhì)量，通信線纜采用6芯航空插頭連接，維修更換更方便。

（3）通過CAN總線的方式將傳統(tǒng)電磁閥與控制器相連，減少了線纜長度，簡化了安裝維護(hù)工作量，提升了液壓系統(tǒng)的使用效率，實(shí)現(xiàn)了電磁閥地址一鍵配置、數(shù)據(jù)上傳、移動端遠(yuǎn)程配置等功能，滿足煤礦用井下液壓系統(tǒng)使用環(huán)境。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊中心擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

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《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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