??? 摘? 要： 介紹了通過以太網(wǎng)Ethernet、現(xiàn)場總線CAN-bus" title="CAN-bus">CAN-bus、無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，形成有2/3層架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建符合國家煤安要求的煤礦遠程通訊網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場總線? CAN-bus? 煤礦通訊" title="煤礦通訊">煤礦通訊? 本安? 以太網(wǎng)? 網(wǎng)關(guān)
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??? 煤礦生產(chǎn)是與國計民生密切相關(guān)的一個領(lǐng)域。其中，煤礦安全無疑是人們關(guān)注的熱點之一。安全問題不僅影響到社會經(jīng)濟，更關(guān)系到每個礦業(yè)人員的生命安全。但目前在我國煤礦系統(tǒng)中，不少煤礦原有的各類獨立設(shè)備已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的需求。因此，組建一個技術(shù)先進的煤礦通訊網(wǎng)絡(luò)，對煤礦的工作人員、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和控制，形成一個能夠滿足地域化控制、符合煤礦安全要求的煤礦數(shù)據(jù)/信息管理系統(tǒng)，是煤礦行業(yè)的發(fā)展大趨勢。
??? 煤礦通訊主要涉及兩個方面：考勤和巡檢系統(tǒng)；作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測。
??? 按國家對煤礦企業(yè)中現(xiàn)場通訊設(shè)備的參數(shù)要求，目前在煤礦行業(yè)中，常見的通訊方式有：串行通訊RS-485、現(xiàn)場總線CAN-bus、調(diào)制解調(diào)Modem、無線通訊等幾種方式。本文將對比這幾種通訊方式，并結(jié)合實際項目的運行經(jīng)驗，從而匯總一些煤礦行業(yè)應用現(xiàn)代化通訊的特點和優(yōu)勢，并重點介紹現(xiàn)場總線CAN-bus的主要優(yōu)勢。
1 煤炭行業(yè)中常用的通訊方式
1.1 串行通訊RS-485
??? RS-485是一個串行通訊的電氣標準,它具有如下優(yōu)點：(1)支持多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。(2)是一種實現(xiàn)成本較低的多點網(wǎng)絡(luò)通訊方式，通用RS-485收發(fā)器的價格低于10元/個。(3)是最常見的通訊方式之一，單一網(wǎng)絡(luò)能夠連接32個節(jié)點，通訊距離達到1200米。(4)RS-485設(shè)備可以基于普通單片機的UART端口進行開發(fā)，電路設(shè)計簡單。
??? RS-485標準不足之處是：在比較復雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，難以保障數(shù)據(jù)的實時性、網(wǎng)絡(luò)的可靠性。而最新的行業(yè)標準中，要求煤礦設(shè)備能夠在不加輔助網(wǎng)橋" title="網(wǎng)橋">網(wǎng)橋的情況下，連接長達4千米的網(wǎng)絡(luò)，這是RS-485標準難以逾越的技術(shù)鴻溝。因此，RS-485標準在煤礦行業(yè)出現(xiàn)的機會將越來越少。
1.2 調(diào)制解調(diào)
??? 調(diào)制解調(diào)(MODEM)即利用模擬信號" title="模擬信號">模擬信號傳輸線路來傳輸數(shù)字信號。調(diào)制的過程，即發(fā)送方將數(shù)字信號“翻譯”成模擬信號，才可以通過模擬信號傳輸線路進行遠程傳輸；解調(diào)的過程，即將來自模擬傳輸線路的模擬信號“翻譯”回數(shù)字信號，供接收方閱讀并處理。最常見的產(chǎn)品是：PC機調(diào)制解調(diào)器和利用電話線路實現(xiàn)電腦上網(wǎng)。
??? 調(diào)制解調(diào)方式雖然能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)通訊，但是，構(gòu)建多點網(wǎng)絡(luò)比較麻煩，以及硬件設(shè)備成本較高限制了調(diào)制解調(diào)方式在煤礦行業(yè)中的應用。
1.3 無線通訊
??? 無線通訊ZigBee符合IEEE 802.15.4標準，是一種短距離的高頻無線通訊標準，具有低成本、低功耗、雙向傳輸、高可靠度、自動感應網(wǎng)絡(luò)功能等特性。
??? ZigBee技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)，主要應用在監(jiān)測、控制與自動化等場合。但目前由于ZigBee產(chǎn)品的開發(fā)成本較高，且只適合短距離、小范圍內(nèi)通訊；雖然已在煤礦行業(yè)有了一些研究性質(zhì)的探索與應用，但主要集中在人員考勤與RFID識別類產(chǎn)品上，屬于小范圍現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，并不真正能夠滿足煤礦行業(yè)較多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的應用。
??? 與ZigBee的應用相類似，已在煤礦行業(yè)進入批量應用的無線通訊的還有433MHz的nRF無線數(shù)傳技術(shù)，但也屬于短距離無線數(shù)據(jù)通訊，也主要被用在人員考勤與RFID識別上。
1.4 現(xiàn)場總線CAN-bus
??? CAN-bus（Controller Area Networkbus）總線最早由德國Bosch公司提出，主要用于汽車內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通訊。由于其良好的性能，被廣泛應用于其他領(lǐng)域中，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)國際標準的工業(yè)級現(xiàn)場總線，傳輸可靠、實時性高。
??? (2)傳輸距離遠（無中繼時最遠10千米）、傳輸速率快（最高1Mbps）。
??? (3)單條總線最多可接110個節(jié)點，并可方便地擴充節(jié)點數(shù)。
??? (4)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。
??? (5)非破壞的總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線利用率高。
??? (6)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。
??? (7)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。
??? (8)對未成功發(fā)送的報文，硬件有自動發(fā)送功能，傳輸可靠性很高。
??? (9)具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制。
??? (10)通訊介質(zhì)可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等。
??? (11)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性價比極高。
??? 從以上分析可見，現(xiàn)場總線CAN-bus在網(wǎng)絡(luò)開放性、通訊可靠性、網(wǎng)絡(luò)通訊距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目、數(shù)據(jù)傳輸實時性、系統(tǒng)設(shè)計成本等方面都具有很大的優(yōu)勢。因此，當CAN-bus應用于煤礦通訊系統(tǒng)時，立即獲得了廣大設(shè)備用戶的認可，成為煤礦行業(yè)中首選的設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)。通過由CAN-bus構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，管理者和主控設(shè)備能即時地了解、處理當前的礦井情況，尋找事故隱患，避免危機的發(fā)生。
2 煤礦通訊中使用CAN-bus的技術(shù)要素
2.1 本質(zhì)安全
??? 在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實踐應用中設(shè)計人員必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備采取相應的防爆措施。隨著電氣設(shè)備防爆技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質(zhì)安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)和無火花(Ex n)等。在眾多的防爆技術(shù)中，本質(zhì)安全(以下簡稱本安)防爆技術(shù)具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測量和帶電維護等優(yōu)點，同時它也能用于0區(qū)危險場所。因此在低壓、低功率電氣設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)，它是首選的防爆技術(shù)。然而，本安防爆實質(zhì)上是系統(tǒng)防爆，其防爆性能不僅與關(guān)聯(lián)設(shè)備有關(guān)，而且也與相應設(shè)備有關(guān)。
??? 煤礦行業(yè)的通訊設(shè)備必須符合《GB3836 爆炸性氣體環(huán)境用設(shè)備》標準，簡稱為“煤安”標準。
??? 現(xiàn)場總線CAN-bus的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同一網(wǎng)絡(luò)可以連接110個設(shè)備；通訊報文以差分信號的形式進行傳輸。常用CAN-bus收發(fā)器的電壓、電流參數(shù)如表1所示。
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??? 煤礦行業(yè)中，構(gòu)建CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的常用CAN-bus設(shè)備的功耗指標如表2所示。
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??? 由表1、表2可見，基于現(xiàn)場總線CAN-bus的設(shè)備一般都可以長期安全運行在防護要求很高的煤礦行業(yè)爆炸性氣體環(huán)境中。
2.2 通訊距離
??? 煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)涉及礦上通訊、井下" title="井下">井下礦道通訊。其中，井下礦道通訊是重點。一個中小型煤礦的通訊網(wǎng)絡(luò)，井下礦道通訊距離可能需要達到20千米，甚至更遠。
??? 現(xiàn)場總線技術(shù)中，通訊距離與通訊速率密切相關(guān)。通常，當通訊速率為5Kbps時，CAN-bus總線的通訊距離可以達到10千米，若安裝1個CANbridge網(wǎng)橋，通訊距離可以延長一倍，并可增加連接一倍的CAN-bus節(jié)點數(shù)目。
??? 煤礦行業(yè)建立CAN-bus網(wǎng)絡(luò)時，根據(jù)現(xiàn)場的通訊距離、數(shù)據(jù)流量等需求參數(shù)，一般可選擇的通訊速率有 5Kbps、10Kbps、20Kbps等標準波特率，特殊場合可以選擇2.5Kbps的通訊速率，以獲得更遠的通訊距離。CANbridge網(wǎng)橋、CANET-E網(wǎng)關(guān)都可以支持2.5Kbps的通訊速率。
??? 通訊電纜的合理選擇，對CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離也有非常重要的影響。通常選擇礦用阻燃電纜作為CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，該類型的電纜線特性：雙絞線、直徑1.5mm2、電阻12.1Ω/km，電感800mH/km，電容0.06μF/km。符合該參數(shù)的礦用阻燃電纜可以在5Kbps的速率下達到6~7公里的通訊距離。
2.3 網(wǎng)絡(luò)布線
??? 煤礦行業(yè)的礦井結(jié)構(gòu)比較復雜，一般都存在較多的分支巷道，多為樹形結(jié)構(gòu)或者魚刺形結(jié)構(gòu)。通常的CAN-bus總線型拓撲結(jié)構(gòu)并不適合礦井內(nèi)的通訊布線；但是，通過在合適位置安裝CANbridge網(wǎng)橋，改變整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲方式，形成樹形拓撲或星形拓撲，既方便施工與布線，節(jié)省電纜成本，又可以提高通訊效率，增加網(wǎng)絡(luò)整體連接設(shè)備的能力。
??? 圖 1是一個煤礦井下礦道的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)布線實例，說明了CANbridge網(wǎng)橋在井下礦道的應用，以及如何合理地改變CAN-bus總線的拓撲結(jié)構(gòu)。
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??? 終端電阻的連接也是CAN-bus網(wǎng)絡(luò)布線中必須注意的要點。主干線的最遠兩端必須各連接一個120Ω的終端電阻，而對于主干線上的其他任何設(shè)備不用接終端電阻；對于連接到CANbridge網(wǎng)橋的CAN-bus分支線網(wǎng)絡(luò)，同樣必須在最遠兩端各接一個120Ω的終端電阻。
3 煤礦通訊的CAN-bus應用實例
??? 目前，煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)主要用于實現(xiàn)兩個方面的功能：考勤和巡檢系統(tǒng)、作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。下面將介紹已經(jīng)成功投入運行的應用實例。
3.1 考勤和巡檢系統(tǒng)
??? 井下監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對煤礦井下的目標監(jiān)測/跟蹤自動化、信息化管理。通過對煤礦井道內(nèi)遠距離移動目標進行非接觸式的信息采集處理，實現(xiàn)對井下人員的考勤，以及井下的人員、車輛、物料在不同狀態(tài)下的自動識別。
??? 近年來，RFID識別已經(jīng)成為煤礦行業(yè)中人員考勤與巡檢系統(tǒng)的主流技術(shù)。當帶有個人信息的RFID卡進入RFID讀卡器的識別范圍時，RFID讀卡器將讀取RFID卡片信息，再將卡片信息通過CAN-bus網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。
??? RFID讀卡器的識別范圍容易受外部環(huán)境影響，識別距離在幾十米以內(nèi)。因此，需要合理地設(shè)置RFID讀卡器的間距，一般應用中，每間隔50米的礦道就安裝一個RFID讀卡器。
??? RFID讀卡器集成有UART接口，可以通過擴展CSM100嵌入式UART-CAN芯片，構(gòu)成一個具有CAN-bus通訊接口的RFID讀卡器，通過CAN-bus網(wǎng)絡(luò)傳輸RFID卡信息。采用CSM100模塊建立CAN-bus的通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
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3.2 安全參數(shù)檢測
??? 煤礦礦井內(nèi)需要檢測的各種環(huán)境參數(shù)有：溫度濕度、氣體濃度、粉塵濃度、電力設(shè)備參數(shù)、運行機構(gòu)參數(shù)等。這些參數(shù)，通過安裝在各控制點的監(jiān)測傳感器，轉(zhuǎn)換成4~20mA電流環(huán)信號，然后通過信號電纜集中傳送到環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備。每一個環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備都可以連接多達8路的4~20mA電流環(huán)信號。使用4~20mA電流環(huán)信號，傳輸距離可達數(shù)百米，最遠可以達到2公里。監(jiān)測傳感器、傳輸電纜、采樣設(shè)備等多個因素共同決定了環(huán)境參數(shù)模擬信號的采樣精度。
??? 環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備與CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的連接可以有以下幾種方式：
??? (1)集成CAN-bus通訊電路的采樣設(shè)備直接連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)備地址、通訊速率等參數(shù)通過外部的撥碼地址開關(guān)設(shè)定，方便現(xiàn)場調(diào)節(jié)。
??? (2)集成RS-232通訊電路的采樣設(shè)備通過CAN232MB轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設(shè)定RS-232通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設(shè)惟一的設(shè)備單元地址。
??? (3)集成RS-485通訊電路的采樣設(shè)備通過CAN485MB轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設(shè)定RS-485通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設(shè)惟一的設(shè)備單元地址。
??? 煤礦礦井內(nèi)的所有環(huán)境參數(shù)采樣設(shè)備都連接到同一個CAN-bus網(wǎng)絡(luò)，并通過同一級網(wǎng)的CAN-bus網(wǎng)橋(采用光纖通訊或雙絞線通訊介質(zhì)，用于延長通訊距離)和上一級網(wǎng)的CANET-E網(wǎng)關(guān)(用于轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)Ethernet數(shù)據(jù))，連接到煤礦井上的主控PC機?；贑AN-bus的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。
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??? 利用現(xiàn)場總線CAN-bus，可以方便地構(gòu)建起煤礦行業(yè)的井下通訊主干網(wǎng)絡(luò)。同時，作為現(xiàn)場總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的一個設(shè)備節(jié)點，CANET-E網(wǎng)關(guān)可以與以太網(wǎng)實現(xiàn)互連互通，從而將現(xiàn)場總線CAN-bus接入無處不在的Internet網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)10千米以外，乃至整個地區(qū)的運行數(shù)據(jù)的采集和管理，滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。同理，井下的CAN-bus設(shè)備節(jié)點可以與Wireless網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通，從而構(gòu)成小范圍的無線數(shù)據(jù)采集(主要是RFID采集)網(wǎng)絡(luò)。煤礦行業(yè)的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)正朝著三層網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
??? 采用光纖通訊的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)也是煤礦行業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的一個發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的雙絞線傳輸方式相比較，光纖的低傳輸損耗使傳輸距離大大增加，更適應煤礦行業(yè)中一些遠距離傳輸?shù)男枨蟆Ａ硗?，光纖還具有不輻射能量、不導電、沒有電感，且光纖中不存在串擾以及光信號相互干擾的影響，有著優(yōu)良的抗EMI以及EMC特性，也不會存在因線路感應耦合導致的安全問題。因此，一段時期內(nèi)，光纖通訊方式、雙絞線通訊方式的兩種CAN-bus網(wǎng)絡(luò)將并存于煤礦行業(yè)中。
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