關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

煤礦井下人員監(jiān)控系統(tǒng)CAN技術(shù)研究

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘要：建立先進(jìn)的煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)，對于煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的意義；本文介紹了煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信應(yīng)用技術(shù)，以及在現(xiàn)場中的應(yīng)用情況，為煤礦企業(yè)選擇、應(yīng)用井下人員考勤定位系統(tǒng)提供了較好的實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：煤礦井下人員安全監(jiān)控；通信技術(shù)；CAN總線技術(shù)。

在測控網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備控制層常用的通信技術(shù)有RS-485，現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，測控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制層將有可能采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)。下面分別對這些技術(shù)進(jìn)行論述，并且主要對當(dāng)前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行比較，從而選擇適合在礦井人員安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用的通信技術(shù)。

1、R S -485

RS -485利用差分方式來傳翰數(shù)據(jù)，有效地抑制了共模干擾，提高了可靠性與通信距離。RS-48的電氣特性與RS-422相同。RS-422的通信速率可達(dá)IOMb/s(距離上限為10m)，通信距離可達(dá)1.2km(速率上限為.OOkb/s). RS-485的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，但是僅實現(xiàn)了物理層協(xié)議，對于鏈路層沒有定義，缺乏總線仲裁、出錯校驗、可靠性措施等諸多網(wǎng)絡(luò)功能。采用R S- 485連成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。這種主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)無法構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)或冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對主節(jié)點的可靠性要求很高。另外，網(wǎng) 絡(luò)中數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)型，任何一次數(shù)據(jù)傳輸都是主節(jié)點首先發(fā)出命令，從節(jié)點接到命令后，以相應(yīng)的方式傳給主節(jié)點。這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低很多，并且使主節(jié)點控制器非常繁忙。

2、現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線是應(yīng)用于過程控制現(xiàn)場的一種數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，它不僅包含有過程控制信息交換，而且還包含設(shè)備管理信息的交流。通過現(xiàn)場總線，各種智能設(shè)備(智能變送器、調(diào)節(jié)法、分析儀和分布式拍單元)可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，過程控制策略可以完全在現(xiàn)場設(shè)備層次上實現(xiàn)。目前 ， 使 用較多的現(xiàn)場總線主要是CAN現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線(FF,FUNDATION FIEI.DBUS)和PROFIBUS現(xiàn)場總線。

(1)基金會現(xiàn)場總線(FF)

基金 會 現(xiàn) 場總線能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求，可以通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場設(shè)備提供工作電源。FF定義了OR模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層。FF的優(yōu)點是配置靈活、協(xié)議的功能齊全;其缺點是實現(xiàn)復(fù)雜，兼容設(shè)備有限，另外其標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程以及被工業(yè)應(yīng)用接受的進(jìn)程比較緩慢。

(2) PROFIBUS

PROFIBCS用了OR模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。根據(jù)應(yīng)用的特點，PROFIBU有三個兼容版本:PROFIBUS-DP. PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-PA.PROFIBUS的優(yōu)點是能夠高速處理大量的數(shù)據(jù)，對于每個節(jié)點來說，每個報文最多可包含244字節(jié)的數(shù)據(jù)。其缺點是傳送的數(shù)據(jù)少時，額外開銷大，因為每個報文均有12個字節(jié)的額外開銷;另外，PROFIBUS在總線上沒有電源。

(3) CA N技術(shù)

20 世紀(jì) 8 0年代初，德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換悶?zāi)?，開發(fā)了一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議--CANT. CAN是一種可以有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其性能較好，己經(jīng)從汽車行業(yè)推廣到其它工業(yè)控制領(lǐng)域成為一種事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CA N定 義 了OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對應(yīng)用層沒有進(jìn)行定義。CAN的最大特點是其可靠性高、實時性強(qiáng)、連接方便。CAN的相關(guān)產(chǎn)品價格比較低廉，并且CAN協(xié)議得到了Intel. Motorola. Pbilips. Simens. NEC等多家國際著名大公司的支持。

CA N (C ontorllerA reaN etwork)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)里。起先，CAN總線被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。CA N總線的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短、受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點極其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯能力。CA N總線 支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接枷吸送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳軸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。CA N通訊 協(xié)議描述了在設(shè)備之間信息如何傳遞。它對層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OR一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的結(jié)構(gòu)定義了模型的最下面的兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層通過不同的新興協(xié)議層(專門用于特殊的工業(yè)領(lǐng)域加上由個別CAN用戶定義的任何合適的方案)和物理層連接。

CAN的性能特點：

CA N 是 由ISO定義的一種多主方式的串行通訊總線，它的基本設(shè)計規(guī)范要求，有高的位速率，高抗電磁千擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤.一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用PhiilpsP8 2CZ50作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到1010.時，CAN總線仍可提供高達(dá)5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。作為 一 種 技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善的現(xiàn)場總線，CAN已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中。從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN總線。和一般通信總線相比，CAN總線都具有不可比擬的優(yōu)越性。歸納如下：

. 低成本；極高的總線利用率。

. 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離長達(dá)(10Km)

. 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)(1Mbps)

. 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文

. 可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制

. 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)

. 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能

. 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息

3 、工業(yè)以太網(wǎng)

下面從通信帶寬等五個方面對工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線進(jìn)行對比。

(1)通 信 帶 寬

以太網(wǎng)的通信速率較高，其標(biāo)準(zhǔn)帶寬為1OMbps，現(xiàn)在又出現(xiàn)了快速以太網(wǎng)(100Mbps)以及千兆以太網(wǎng)。而一般的現(xiàn)場總線的帶寬都沒有超過12Mbps，

表1幾種現(xiàn)場總線的最大帶寬(單位：bps)

表1列出了常用的幾種現(xiàn)場總線的最大帶寬。從帶寬角度講，以太網(wǎng)較現(xiàn)場總線有一定的優(yōu)勢。但是，在一般的工業(yè)控制現(xiàn)場，對通信速率的要求并不是很高，CAN現(xiàn)場總線的通信速率可以滿足要求。

(2)傳輸短報文時帶寬利用率

在實際的工業(yè)現(xiàn)場，一般站點之間的通信以交換短報文(由幾個字節(jié)組成)為主.以太網(wǎng)的MAC(Medium Access Control，媒體訪問控制)子層中，采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問)}}議。當(dāng)一個站點發(fā)送短幀時，有可能第一個尚未到達(dá)電纜的最遠(yuǎn)端就已經(jīng)完成發(fā)送，于是造成沖突發(fā)生卻檢側(cè)不到的現(xiàn)象，導(dǎo)致通信無法正常進(jìn)行。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，必須對最短技長度進(jìn)行限翻。因此 ，采用以太網(wǎng)來傳輸短報文，造成了很大的帶寬浪費(fèi)。使其用于傳輸有用信息的速率大打折扣。

(3)實時性

在工 業(yè) 現(xiàn) 場，數(shù)據(jù)必須在確定的時間內(nèi)到達(dá)目的站點。對于信道的訪問，以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議，這種協(xié)議不能確保報文何時到達(dá)目的站點。在一些對時間敏感的應(yīng)用場合，報文的延遲將會造成嚴(yán)重后果。而現(xiàn)場總線技術(shù)的傳輸是確定性的，可以預(yù)知報文何時到達(dá)目的站點。

(4)對工業(yè)現(xiàn)場的適應(yīng)性

以太網(wǎng)在總線上沒有電源，連接器脆弱。與大多數(shù)現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)更容易受電磁干擾以及射頻千擾。

(5)現(xiàn)場設(shè)備的支持

目前，支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備有限，少量支持以太網(wǎng)的設(shè)備價格昂貴，導(dǎo)致整個工程的成本過高。而對于現(xiàn)場總線技術(shù)而言，支持的廠家較多，現(xiàn)場設(shè)備選擇的余地較大，另外，價格比較低廉。從上述比較可以看出，現(xiàn)場總線技術(shù)有諸多優(yōu)點，CAN現(xiàn)場總線技術(shù)更是在成本、可靠性、通信速率方面滿足系統(tǒng)要求。因此，在所以在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，采用CAN現(xiàn)場總線作為現(xiàn)場設(shè)備控制層的通信總線較為實用。使用現(xiàn)場總線帶來的好處：

節(jié)省硬件成本；

設(shè)計 、組態(tài)、安裝以及調(diào)試簡便；

系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)充方便；

系統(tǒng)的安全、可靠性好，減少故障停機(jī)時間；

用戶對系統(tǒng)配制、設(shè)備選型有最大的自主權(quán)；

完善了企業(yè)信息系統(tǒng)，為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉西青（1966-），女，北京市人，太原科技大學(xué)畢業(yè)，工程師、講師，從事煤礦計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程教學(xué)研究和計算機(jī)校園網(wǎng)絡(luò)管理工作。太原 030031