煤矿远程通讯中的CAN-bus应用

　　　前言
煤矿安全无疑已成为社会关注的热点，不仅对社会经济有影响，更关乎矿业人员的生命安全。产生煤矿安全隐患的原因之一是对有害情况的监测和控制存在一些缺陷；并且，煤矿中各种类型系统相互独立，信息不互通，也是造成统一管理不便的原因。随着国家对煤矿安全生产的管理越来越规范，加强了对煤矿安全生产的监管力度，要求对矿井设备不仅有更全面的功能，通讯也要更加的实时可靠，以便及时了解与查询现场安全监测监控信息。 在此，我们根据自身经验，以及一些煤矿领域的相关应用，提出一种性价比非常高的现场总线通讯系统，即CAN-bus总线方案，用来解决煤矿系统的通讯问题。
煤矿通讯现状
　　煤矿井下的环境是非常复杂和恶劣的，需要的工作设备和监测设备也非常之多。井下检测环境的主要特点有：
　　 环境异常恶劣。系统的观测点多数都在井下和高压设备的环境中，受到较强的电磁
辐射和耐潮耐腐的考验，不仅检测的准确度受到一定的干扰，而且数据的传输也变得不那么可靠。
　　 检测对象种类繁多。矿井下的很多环境参数都会牵涉到事故的发生。比如通风不足造成瓦斯浓度过大可能导致瓦斯爆炸。一氧化碳浓度过大会导致井下工作人员中毒，等等。所以每一项相关的参数都得测量并及时准确的传输到控制中心，便于分析当前井下环境的安全程度，尽可能的避免煤矿事故。
　　 测点分布广。测点分布不仅广，而且分布不均匀，从而使传感器信号和各种检测信号传送变得复杂和困难。
　　 需要中央监控室集中监测。系统观测项目多，测点分布广，一般设置在煤矿调度室进行集中监测与控制，所以需要安全可靠的远距离传输。
　　 这里列出部分的重要煤矿设备及其相关的测量控制参数。
　　 考勤和巡检系统：实际上可以将考勤和巡检功能用一个系统来完成，不必分成独立的两个系统。该系统已使用到射频读卡技术。整个系统用于人员安全和记录管理。
　 　安全环境监测系统：主要用于测量自然环境参数，如甲烷（瓦斯）CH4浓度、一氧化碳CO浓度，二氧化碳CO2浓度、风速风向、负压、温度、湿度、粉尘浓度等。
　 　变电所电力采集器：采集的电气参数为功率、电压、电流、电能等。非电气参数为水仓液位、变压器油温、抽风机负压、料位等。
　 　泵房控制器：泵的开停控制，甲烷（瓦斯）CH4浓度、水位、湿度、粉尘浓度和风门等。
　 　皮带机：因皮带机埋机头，拉断皮带等事故时有发生，所以对其保护应加强，实时监控煤位、防滑、巷道通讯、烟雾浓度等
　 　工作面：开停控制、甲烷（瓦斯）浓度、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度和风门等。
　 　掘进头：开停控制、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度、风速、风筒和风门等。
　　 这些系统可能来自不同的厂家，有不同的通讯接口，控制方式各异，那么给整体的管理带来了极大的不便。即使采用统一的接口，传统的RS-485方式也已经不适合如此大型的整体项目，当前形式迫切需要我们提出新的通讯解决方案。
CAN-bus总线特点
　　CAN（Controller Area Network）总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，在世界范围内广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。
　　现场总线CAN-bus的特点：
　　1、国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高；
　　2、传输距离远（无中继最远10Km），传输速率快（最高1Mbps）；
　　3、单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数；
　　3、总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；
　　4、非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；
　　5、出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；
　　6、报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；
　　7、对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高；
　　8、具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；
　　9、通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等；
　　10、CAN-bus总线系统结构简单，性价比极高。
　　CAN-bus用于煤矿通讯系统当中，不仅可以增强系统的通讯可靠性、延长系统的距离、扩充系统的节点数，还能增强系统的实时性，让管理者和主控设备能及时了解和处理当前的井下情况，发觉事故隐患，避免事故发生。
　　对于煤矿系统的本安要求，只需总线要CAN-bus设备的电源符合本安要求即可。现场总线CAN-bus本身是符合本质安全要求的
CAN-bus总线与RS-485通讯比较
　　与通常应用的RS-485方式相比，现场总线CAN-bus具有更多方面的优势，可以完全取代RS-485网络，从而组建一个具有高可靠性、远距离、多节点、多主方式的设备通讯网络。同时，现场总线CAN-bus可以直接采用RS-485方式相同的传输电缆、拓扑结构
CAN-bus总线与RS-485通讯方式的特性比较如下表1所示：


通常的RS-485设备终端（或支持Modbus通讯协议）可以通过CAN485MB协议转换器接入CAN-bus网络，方便地实现网络更新与设备升级。同样，RS-232设备终端（或支持Modbus通讯协议）可以通过CAN232MB协议转换器接入CAN-bus网络。更多的应用软件支持（包括虚拟串口VCOM、基于DLL的API编程、基于OPC的组态开发）将使网络的应用变得更加方便、灵活。
　　例如，CAN485MB协议转换器采用表面安装工艺，板上自带光电隔离模块，实现完全电气隔离的控制电路/CAN电路，使CAN485MB协议转换器具有很强的抗干扰能力，可防雷击，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。

CAN485MB协议转换器 性能和技术指标
　支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/DIS 11898规范；
　支持1路CAN控制器，波特率在5Kbps～1Mbps之间可选；
　支持1路RS-485 接口，波特率在600bps～115200bps之间可选；
　双向环形FIFO结构的大容量缓冲区，保障实时突发大批量数据的可靠通讯；
　CAN-bus接口采用光电隔离、DC/DC电源隔离，隔离模块绝缘电压：1000Vrms；
　最高帧流量：400帧/秒（扩展帧，每帧8字节数据）；
　工作温度：-20℃ ～ +85℃；
　安装方式：可选标准DIN导轨安装或简单固定方式；
　物理尺寸：100mm*70mm*25mm（不计算导轨安装架高度）。

CAN-bus应用实现
　　通常由于煤矿系统要求比较完整和智能化，所以方案的完整性和可扩展性也是必须考虑的。因此，本方案在设备层用CAN-bus进行通讯，在用户层由以太网进行管理。


网络的结构如图所示，以A、B、C、D四类主要的井下检测控制设备为例，每四个为一组，在井下有多个这样的设备组分布在不同的区域对设备和环境进行检测。每个设备都挂接在CAN-bus总线主线上，CAN-bus总线的主线是一个直线拓扑结构，直线的两端称为终端，各加一个终端电阻，网络的中间不加任何电阻。
　 　由于所有的设备都可以主动向总线上发送数据，那么可以设置优先级，重要设备的信号优先级较高。同时为了防止CAN-bus总线负载过大，可以将一些必要的数据作实时发送，而另一些数据在一定的管理机制下才能向总线发送数据，比如主控制设备来查询的时候，或者按一定的时间间隔再发送。
　　有必要的话，检测控制设备之间还可以进行相互的通讯。井下设备和各级主控管理机的通讯是通过CANNET-E（CAN-bus到以太网EtherNet的智能网关）来进行转换的，以便和以太网EtherNet接口。
　　CAN总线的传输距离随着波特率的降低而增长。当波特率为5Kbps的时候，不加中继器的情况下可以达到10Km。整个系统可以根据需要距离的长度而选择合适的通讯波特率，另外总线通讯距离越长的时候要适当的加大双绞线的线径，降低阻抗以减小传输延迟
　　当煤矿通讯网络需求达到更远的通讯距离（＞10公里），或者终端数目较多（＞110个）时，安装CANbridge网桥可以成倍地延长通讯距离，也可以成倍地增加CAN-bus网络中终端设备的数目。
　　采用高强度、防水防潮的屏蔽双绞线完全能够满足煤矿通讯领域的可靠性、抗干扰性参数等方面的需求。
　　在环境要求更高的场合，可以选择使用单模光纤作为CAN-bus总线的通讯介质，以实现更远的通讯距离，更高的抗干扰能力；当然，采用光纤通讯会增加一部分CAN-bus网络的设备成本。

应用成果
　目前，基于CAN-bus网络的煤矿通讯网络已经在国内西南、西北、东北等多个地方煤矿系统中获得了成功的应用。