煤礦遠(yuǎn)程通訊中的CAN-bus應(yīng)用
| 前言 煤礦安全無疑已成為社會關(guān)注的熱點，不僅對社會經(jīng)濟(jì)有影響，更關(guān)乎礦業(yè)人員的生命安全。產(chǎn)生煤礦安全隱患的原因之一是對有害情況的監(jiān)測和控制存在一些缺陷；并且，煤礦中各種類型系統(tǒng)相互獨立，信息不互通，也是造成統(tǒng)一管理不便的原因。隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)的管理越來越規(guī)范，加強(qiáng)了對煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)管力度，要求對礦井設(shè)備不僅有更全面的功能，通訊也要更加的實時可靠，以便及時了解與查詢現(xiàn)場安全監(jiān)測監(jiān)控信息。 在此，我們根據(jù)自身經(jīng)驗，以及一些煤礦領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，提出一種性價比非常高的現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng)，即CAN-bus總線方案，用來解決煤礦系統(tǒng)的通訊問題。 煤礦通訊現(xiàn)狀 煤礦井下的環(huán)境是非常復(fù)雜和惡劣的，需要的工作設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備也非常之多。井下檢測環(huán)境的主要特點有： 環(huán)境異常惡劣。系統(tǒng)的觀測點多數(shù)都在井下和高壓設(shè)備的環(huán)境中，受到較強(qiáng)的電磁輻射和耐潮耐腐的考驗，不僅檢測的準(zhǔn)確度受到一定的干擾，而且數(shù)據(jù)的傳輸也變得不那么可靠。 檢測對象種類繁多。礦井下的很多環(huán)境參數(shù)都會牽涉到事故的發(fā)生。比如通風(fēng)不足造成瓦斯?jié)舛冗^大可能導(dǎo)致瓦斯爆炸。一氧化碳濃度過大會導(dǎo)致井下工作人員中毒，等等。所以每一項相關(guān)的參數(shù)都得測量并及時準(zhǔn)確的傳輸?shù)娇刂浦行?，便于分析?dāng)前井下環(huán)境的安全程度，盡可能的避免煤礦事故。 測點分布廣。測點分布不僅廣，而且分布不均勻，從而使傳感器信號和各種檢測信號傳送變得復(fù)雜和困難。 需要中央監(jiān)控室集中監(jiān)測。系統(tǒng)觀測項目多，測點分布廣，一般設(shè)置在煤礦調(diào)度室進(jìn)行集中監(jiān)測與控制，所以需要安全可靠的遠(yuǎn)距離傳輸。 這里列出部分的重要煤礦設(shè)備及其相關(guān)的測量控制參數(shù)。 考勤和巡檢系統(tǒng)：實際上可以將考勤和巡檢功能用一個系統(tǒng)來完成，不必分成獨立的兩個系統(tǒng)。該系統(tǒng)已使用到射頻讀卡技術(shù)。整個系統(tǒng)用于人員安全和記錄管理。 安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)：主要用于測量自然環(huán)境參數(shù)，如甲烷（瓦斯）CH4濃度、一氧化碳CO濃度，二氧化碳CO2濃度、風(fēng)速風(fēng)向、負(fù)壓、溫度、濕度、粉塵濃度等。 變電所電力采集器：采集的電氣參數(shù)為功率、電壓、電流、電能等。非電氣參數(shù)為水倉液位、變壓器油溫、抽風(fēng)機(jī)負(fù)壓、料位等。 泵房控制器：泵的開停控制，甲烷（瓦斯）CH4濃度、水位、濕度、粉塵濃度和風(fēng)門等。 皮帶機(jī)：因皮帶機(jī)埋機(jī)頭，拉斷皮帶等事故時有發(fā)生，所以對其保護(hù)應(yīng)加強(qiáng)，實時監(jiān)控煤位、防滑、巷道通訊、煙霧濃度等 工作面：開停控制、甲烷（瓦斯）濃度、一氧化碳濃度、濕度、粉塵濃度和風(fēng)門等。 掘進(jìn)頭：開?？刂啤⒁谎趸紳舛?、濕度、粉塵濃度、風(fēng)速、風(fēng)筒和風(fēng)門等。 這些系統(tǒng)可能來自不同的廠家，有不同的通訊接口，控制方式各異，那么給整體的管理帶來了極大的不便。即使采用統(tǒng)一的接口，傳統(tǒng)的RS-485方式也已經(jīng)不適合如此大型的整體項目，當(dāng)前形式迫切需要我們提出新的通訊解決方案。 CAN-bus總線特點 CAN（Controller Area Network）總線最早由德國BOSCH公司提出，主要用于汽車內(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，如工業(yè)自動化、汽車電子、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡(luò)、電力通訊和安防消防等諸多領(lǐng)域，并取逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。 現(xiàn)場總線CAN-bus的特點： 1、國際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級現(xiàn)場總線，傳輸可靠，實時性高； 2、傳輸距離遠(yuǎn)（無中繼最遠(yuǎn)10Km），傳輸速率快（最高1Mbps）； 3、單條總線最多可接110個節(jié)點，并可方便的擴(kuò)充節(jié)點數(shù)； 3、總線上各節(jié)點的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實時傳輸； 4、非破壞總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點同時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高； 5、出錯的CAN節(jié)點會自動關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊； 6、報文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低； 7、對未成功發(fā)送的報文，硬件有自動發(fā)功能，傳輸可靠性很高； 8、具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制； 9、通訊介質(zhì)可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等； 10、CAN-bus總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比極高。 CAN-bus用于煤礦通訊系統(tǒng)當(dāng)中，不僅可以增強(qiáng)系統(tǒng)的通訊可靠性、延長系統(tǒng)的距離、擴(kuò)充系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性，讓管理者和主控設(shè)備能及時了解和處理當(dāng)前的井下情況，發(fā)覺事故隱患，避免事故發(fā)生。 對于煤礦系統(tǒng)的本安要求，只需總線要CAN-bus設(shè)備的電源符合本安要求即可。現(xiàn)場總線CAN-bus本身是符合本質(zhì)安全要求的 CAN-bus總線與RS-485通訊比較 與通常應(yīng)用的RS-485方式相比，現(xiàn)場總線CAN-bus具有更多方面的優(yōu)勢，可以完全取代RS-485網(wǎng)絡(luò)，從而組建一個具有高可靠性、遠(yuǎn)距離、多節(jié)點、多主方式的設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)。同時，現(xiàn)場總線CAN-bus可以直接采用RS-485方式相同的傳輸電纜、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通常的RS-485設(shè)備終端（或支持Modbus通訊協(xié)議）可以通過CAN485MB協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更新與設(shè)備升級。同樣，RS-232設(shè)備終端（或支持Modbus通訊協(xié)議）可以通過CAN232MB協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入CAN-bus網(wǎng)絡(luò)。更多的應(yīng)用軟件支持（包括虛擬串口VCOM、基于DLL的API編程、基于OPC的組態(tài)開發(fā)）將使網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得更加方便、靈活。 例如，CAN485MB協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用表面安裝工藝，板上自帶光電隔離模塊，實現(xiàn)完全電氣隔離的控制電路/CAN電路，使CAN485MB協(xié)議轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可防雷擊，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。 CAN485MB協(xié)議轉(zhuǎn)換器 性能和技術(shù)指標(biāo) 支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，符合ISO/DIS 11898規(guī)范； 支持1路CAN控制器，波特率在5Kbps～1Mbps之間可選； 支持1路RS-485 接口，波特率在600bps～115200bps之間可選； 雙向環(huán)形FIFO結(jié)構(gòu)的大容量緩沖區(qū)，保障實時突發(fā)大批量數(shù)據(jù)的可靠通訊； CAN-bus接口采用光電隔離、DC/DC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓：1000Vrms； 最高幀流量：400幀/秒（擴(kuò)展幀，每幀8字節(jié)數(shù)據(jù)）； 工作溫度：-20℃ ～ +85℃； 安裝方式：可選標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌安裝或簡單固定方式； 物理尺寸：100mm*70mm*25mm（不計算導(dǎo)軌安裝架高度）。 CAN-bus應(yīng)用實現(xiàn) 通常由于煤礦系統(tǒng)要求比較完整和智能化，所以方案的完整性和可擴(kuò)展性也是必須考慮的。因此，本方案在設(shè)備層用CAN-bus進(jìn)行通訊，在用戶層由以太網(wǎng)進(jìn)行管理。 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖所示，以A、B、C、D四類主要的井下檢測控制設(shè)備為例，每四個為一組，在井下有多個這樣的設(shè)備組分布在不同的區(qū)域?qū)υO(shè)備和環(huán)境進(jìn)行檢測。每個設(shè)備都掛接在CAN-bus總線主線上，CAN-bus總線的主線是一個直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直線的兩端稱為終端，各加一個終端電阻，網(wǎng)絡(luò)的中間不加任何電阻。 由于所有的設(shè)備都可以主動向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，那么可以設(shè)置優(yōu)先級，重要設(shè)備的信號優(yōu)先級較高。同時為了防止CAN-bus總線負(fù)載過大，可以將一些必要的數(shù)據(jù)作實時發(fā)送，而另一些數(shù)據(jù)在一定的管理機(jī)制下才能向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，比如主控制設(shè)備來查詢的時候，或者按一定的時間間隔再發(fā)送。 有必要的話，檢測控制設(shè)備之間還可以進(jìn)行相互的通訊。井下設(shè)備和各級主控管理機(jī)的通訊是通過CANNET-E（CAN-bus到以太網(wǎng)EtherNet的智能網(wǎng)關(guān)）來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，以便和以太網(wǎng)EtherNet接口。 CAN總線的傳輸距離隨著波特率的降低而增長。當(dāng)波特率為5Kbps的時候，不加中繼器的情況下可以達(dá)到10Km。整個系統(tǒng)可以根據(jù)需要距離的長度而選擇合適的通訊波特率，另外總線通訊距離越長的時候要適當(dāng)?shù)募哟箅p絞線的線徑，降低阻抗以減小傳輸延遲 當(dāng)煤礦通訊網(wǎng)絡(luò)需求達(dá)到更遠(yuǎn)的通訊距離（＞10公里），或者終端數(shù)目較多（＞110個）時，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN-bus網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備的數(shù)目。 采用高強(qiáng)度、防水防潮的屏蔽雙絞線完全能夠滿足煤礦通訊領(lǐng)域的可靠性、抗干擾性參數(shù)等方面的需求。 在環(huán)境要求更高的場合，可以選擇使用單模光纖作為CAN-bus總線的通訊介質(zhì)，以實現(xiàn)更遠(yuǎn)的通訊距離，更高的抗干擾能力；當(dāng)然，采用光纖通訊會增加一部分CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備成本。 應(yīng)用成果 目前，基于CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的煤礦通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在國內(nèi)西南、西北、東北等多個地方煤礦系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用。 |
