| 前言 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 煤礦安全無疑已成為社會關注的熱點，不僅對社會經濟有影響，更關乎礦業人員的生命安全。產生煤礦安全隱患的原因之一是對有害情況的監測和控制存在一些缺陷；并且，煤礦中各種類型系統相互獨立，信息不互通，也是造成統一管理不便的原因。隨著國家對煤礦安全生產的管理越來越規范，加強了對煤礦安全生產的監管力度，要求對礦井設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場安全監測監控信息。 在此，我們根據自身經驗，以及一些煤礦領域的相關應用，提出一種性價比非常高的現場總線通訊系統，即CAN-bus總線方案，用來解決煤礦系統的通訊問題。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 煤礦通訊現狀 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
煤礦井下的環境是非常復雜和惡劣的，需要的工作設備和監測設備也非常之多。井下檢測環境的主要特點有：   環境異常惡劣。系統的觀測點多數都在井下和高壓設備的環境中，受到較強的電磁 輻射和耐潮耐腐的考驗，不僅檢測的準確度受到一定的干擾，而且數據的傳輸也變得不那么可靠。 檢測對象種類繁多。礦井下的很多環境參數都會牽涉到事故的發生。比如通風不足造成瓦斯濃度過大可能導致瓦斯爆炸。一氧化碳濃度過大會導致井下工作人員中毒，等等。所以每一項相關的參數都得測量并及時準確的傳輸到控制中心，便于分析當前井下環境的安全程度，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雜和困難。 需要中央監控室集中監測。系統觀測項目多，測點分布廣，一般設置在煤礦調度室進行集中監測與控制，所以需要安全可靠的遠距離傳輸。 這里列出部分的重要煤礦設備及其相關的測量控制參數。 考勤和巡檢系統：實際上可以將考勤和巡檢功能用一個系統來完成，不必分成獨立的兩個系統。該系統已使用到射頻讀卡技 術。整個系統用于人員安全和記錄管理。 安全環境監測系統：主要用于測量自然環境參數，如甲烷（瓦斯）CH4濃度、一氧化碳CO濃度，二氧化碳CO2濃度、風速 風向、負壓、溫度、濕度、粉塵濃度等。 變電所電力采集器：采集的電氣參數為功率、電壓、電流、電能等。非電氣參數為水倉液位、變壓器油溫、抽風機負壓、料 位等。 泵房控制器：泵的開?？刂疲淄椋ㄍ咚梗〤H4濃度、水位、濕度、粉塵濃度和風門等。 皮帶機：因皮帶機埋機頭，拉斷皮帶等事故時有發生，所以對其保護應加強，實時監控煤位、防滑、巷道通訊、煙霧濃度等工作面：開?？刂?、甲烷（瓦斯）濃度、一氧化碳濃度、濕度、粉塵濃度和風門等。 掘進頭：開?？刂?、一氧化碳濃度、濕度、粉塵濃度、風速、風筒和風門等。 這些系統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。即使采用統一的接口，傳統的RS-485方式也已經不適合如此大型的整體項目，當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，主要用于汽車內部測量與控制中心之間的數據通信。由于其良好的性能，在世界范圍內廣泛應用于其他領域當中，如工業自動化、汽車電子、樓宇建筑、電梯網絡、電力通訊和安防消防等諸多領域，并取逐漸成為這些行業的主要通訊手段。 現場總線CAN-bus的特點： 1、國際標準的工業級現場總線，傳輸可靠，實時性高； 2、傳輸距離遠（無中繼最遠10Km），傳輸速率快（最高1Mbps）； 3、單條總線最多可接110個節點，并可方便的擴充節點數； 3、總線上各節點的地位平等，不分主從，突發數據可實時傳輸； 4、非破壞總線仲裁技術，可多節點同時向總線發數據，總線利用率高； 5、出錯的CAN節點會自動關閉并切斷和總線的聯系，不影響總線的通訊； 6、報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低； 7、對未成功發送的報文，硬件有自動發功能，傳輸可靠性很高； 8、具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協議編制； 9、通訊介質可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等； 10、CAN-bus總線系統結構簡單，性價比極高。 CAN-bus用于煤礦通訊系統當中，不僅可以增強系統的通訊可靠性、延長系統的距離、擴充系統的節點數，還能增強系統的實時性，讓管理者和主控設備能及時了解和處理當前的井下情況，發覺事故隱患，避免事故發生。 對于煤礦系統的本安要求，只需總線要CAN-bus設備的電源符合本安要求即可。現場總線CAN-bus本身是符合本質安全要求的 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAN-bus總線與RS-485通訊比較 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 與通常應用的RS-485方式相比，現場總線CAN-bus具有更多方面的優勢，可以完全取代RS-485網絡，從而組建一個具有高可靠性、遠距離、多節點、多主方式的設備通訊網絡。同時，現場總線CAN-bus可以直接采用RS-485方式相同的傳輸電纜、拓撲結構 CAN-bus總線與RS-485通訊方式的特性比較如下表1所示：
通常的RS-485設備終端（或支持Modbus通訊協議）可以通過CAN485MB協議轉換器接入CAN-bus網絡，方便地實現網絡更新與設備升級。同樣，RS-232設備終端（或支持Modbus通訊協議）可以通過CAN232MB協議轉換器接入CAN-bus網絡。更多的應用軟件支持（包括虛擬串口VCOM、基于DLL的API編程、基于OPC的組態開發）將使網絡的應用變得更加方便、靈活。 例如，CAN485MB協議轉換器采用表面安裝工藝，板上自帶光電隔離模塊，實現完全電氣隔離的控制電路/CAN電路，使CAN485MB協議轉換器具有很強的抗干擾能力，可防雷擊，大大提高了系統在惡劣環境中使用的可靠性。
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| CAN-bus應用實現 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 通常由于煤礦系統要求比較完整和智能化，所以方案的完整性和可擴展性也是必須考慮的。因此，本方案在設備層用CAN-bus進行通訊，在用戶層由以太網進行管理。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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網絡的結構如圖所示，以A、B、C、D四類主要的井下檢測控制設備為例，每四個為一組，在井下有多個這樣的設備組分布在不同的區域對設備和環境進行檢測。每個設備都掛接在CAN-bus總線主線上，CAN-bus總線的主線是一個直線拓撲結構，直線的兩端稱為終端，各加一個終端電阻，網絡的中間不加任何電阻。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 應用成果 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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目前，基于CAN-bus網絡的煤礦通訊網絡已經在國內西南、西北、東北等多個地方煤礦系統中獲得了成功的應用。 |
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
