1. 現(xiàn)場總線CAN-bus 在煤礦通訊中的優(yōu)勢 煤礦生產是與國計民生密切相關的一個領域。其中，煤礦安全無疑是大家關注的熱點之一，不僅對社會經濟有影響，更關系到每個礦業(yè)人員的生命安全。煤礦系統(tǒng)中原先的各類獨立設備已經不能夠滿足現(xiàn)代化煤礦生產的需求；組建一個技術先進的煤礦通訊網絡，對煤礦的工作人員、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測、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/信息管理系統(tǒng)，這已經是煤礦行業(yè)的發(fā)展大趨勢。 煤礦企業(yè)內部通過煤礦通訊網絡傳輸各類現(xiàn)場數(shù)據；通常傳輸?shù)氖莵硗诟鱾€現(xiàn)場設備之間的控制類數(shù)據，一般都屬于小流量、實時數(shù)據。 煤礦通訊主要涉及以下兩個方面的應用： 􀁺 ●考勤和巡檢系統(tǒng) 􀁺 ●作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測 同時，煤礦通訊具有非常明顯的自身行業(yè)特點： 􀁺 ●設備符合本質安全要求 􀁺 ●現(xiàn)場環(huán)境惡劣 􀁺 ●通訊距離較遠 􀁺 ●數(shù)據傳輸要求可靠實時 􀁺 ●同一網絡設備節(jié)點較多 按國家對煤礦企業(yè)中現(xiàn)場通訊設備的參數(shù)要求，目前在煤礦行業(yè)中可運行的常見通訊方式有串行通訊RS-485、現(xiàn)場總線CAN-bus、調制解調Modem、無線通訊等幾種方式。本文將對比這幾種通訊方式，并結合實際項目的運行經驗，從而匯總一些煤礦行業(yè)應用現(xiàn)代化通訊的特點、優(yōu)勢，并且介紹現(xiàn)場總線CAN-bus 的主要優(yōu)勢。 1、串行通訊RS-485 國際EIA 協(xié)會在1983 年制定了RS-485 標準，這是一個串行通訊的電氣標準。與第一代的RS-422 標準相比，RS-485 標準支持多點、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)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。 RS-485 標準是一種實現(xiàn)成本較低的多點網絡通訊方式，通用RS-485 收發(fā)器的價格低于10 元/個；RS-485 網絡是最常見到的通訊方式之一，單一網絡能夠連接32 個節(jié)點，通訊距離夠達到1200 米；RS-485 設備可以基于普通單片機UART 端口進行開發(fā)，電路設計簡單。在工業(yè)自動化設備、分布式數(shù)據采集、樓宇安防、早期的煤礦網絡等領域，RS-485 設備是最常見到的通訊設備之一。 RS-485 標準也有許多不足，尤其是在比較復雜的網絡結構中，RS-485 難以保障數(shù)據的實時性、網絡的可靠性。最新的行業(yè)標準中，要求煤礦設備能夠在不加輔助網橋的情況下，連接長達4Km 的網絡，這也是RS-485 標準難以逾越的技術鴻溝。因此，RS-485 標準在煤礦行業(yè)出現(xiàn)的機會將越來越少。 2、調制解調Modem 調制解調（MODEM）即利用模擬信號傳輸線路來傳輸數(shù)字信號。調制的過程，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。最常見的產品，如PC 機調制解調器，利用電話線路實現(xiàn)電腦上網。 調制解調方式能夠實現(xiàn)遠距離的數(shù)據通訊；但是，構建多點網絡的不便利，以及相對較高的設備硬件成本限制了調制解調方式在煤礦行業(yè)的應用。 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、低耗電、雙向傳輸、高可靠度、自動感應網絡功能等特性。 ZigBee 技術是近幾年才發(fā)展起來的新技術，主要應用在監(jiān)測、控制與自動化等市場。由于目前ZigBee 產品的開發(fā)成本較高，且只適合短距離、小范圍內通訊；雖然已在煤礦行業(yè)有了一些研究性質的探索與應用，但主要集中在人員考勤與RFID 識別類產品，屬于小范圍現(xiàn)場網絡，并不真正能夠滿足煤礦行業(yè)較多設備聯(lián)網的應用。 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還有433Mz 的nRF無線數(shù)傳技術，但也屬于短距離無線數(shù)據通訊，主要被用在人員考勤與RFID 識別上。 4、現(xiàn)場總線CAN-bus CAN-bus（Controller Area Network）總線最早由德國Bosch 公司提出，主要用于汽車內部單元與控制中心之間的數(shù)據通信。由于其良好的性能，被廣泛應用于其他領域中，如工業(yè)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(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)據可實時傳輸； 5、非破壞的總線仲裁技術，可多節(jié)點同時向總線發(fā)數(shù)據，總線利用率高； 6、出錯的CAN 節(jié)點會自動關閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊； 7、報文為短幀結構并有硬件CRC 校驗，受干擾概率小，數(shù)據出錯率極低； 8、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； 9、具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制； 10、通訊介質可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等； 11、CAN-bus 總線系統(tǒng)結構簡單，性價比極高。 現(xiàn)場總線CAN-bus 在網絡開放性、通訊可靠性、網絡通訊距離、網絡節(jié)點數(shù)目、數(shù)據傳輸實時性、系統(tǒng)設計成本等方面都具有強大的優(yōu)勢。因此，當CAN-bus 應用于煤礦通訊系統(tǒng)時，立即獲得了廣大設備用戶的認可，成為煤礦行業(yè)中首選的設備通訊網絡。通過由CAN-bus 構建的煤礦現(xiàn)場設備網絡，管理者和主控設備能即時地了解、處理當前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機的發(fā)生。 同時，基于開放的現(xiàn)場總線CAN-bus 技術，構建煤礦行業(yè)的通訊網絡，或開發(fā)特定功能的通訊設備，都已經不會存在技術上的門檻。而且，現(xiàn)場總線CAN-bus 本身是符合本質安全要求的。 5、CAN-bus 與RS-485 比較 與通常應用的RS-485 標準相比，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 網絡，從而組建一個具有高可靠性、遠距離、多節(jié)點、多主方式的設備通訊網絡。同時，現(xiàn)場總線CAN-bus 可以直接使用RS-485 標準相同的傳輸電纜、拓撲結構，方便原有設計資源的系統(tǒng)升級。 將CAN-bus 總線與RS-485 標準的特性進行比較，區(qū)別如表格 1 所示： [align=center]表格 1 CAN-bus 總線與 RS-485 標準的特性比較 [/align] 通過對節(jié)點設備的通訊電路部分設計升級，可以方便地將原有RS-485 網絡建設成先進的現(xiàn)場總線CAN-bus 網絡，甚至不需要改動原RS-485 有網絡的布線、拓撲、運行軟件。 同樣，也可以不改動原有RS-485 網絡的節(jié)點設備，只需要增加一些網關轉換器，即可將將RS-485 網絡升級成CAN-bus 網絡。例如，需要增加的轉換器有CAN485MB 協(xié)議轉換器、CAN232MB 協(xié)議轉換器、CSM100 嵌入式通訊模塊等。升級改造成功后的CAN-bus 網絡可以采用更先進的管理方式，比如組態(tài)管理、多主管理，有效提高網絡的數(shù)據傳輸效率，保障數(shù)據傳輸?shù)目煽啃浴? 2. 煤礦通訊中使用CAN-bus 的技術要素 煤礦行業(yè)的生產運行設備都需要遵照國家規(guī)定的煤礦行業(yè)設備標準；煤礦通訊網絡也屬于同一類型的設備，額定參數(shù)必須符合相關的技術標準。 1、 本質安全 什么是本質安全？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，在實踐應用中設計人員必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備及其相關設備采取相應的防爆措施。隨著電氣設備防爆技術的不斷進步和發(fā)展，在全球范圍內已廣泛接受的電氣設備防爆技術有：隔爆（Ex d）、增安（Ex e）、本質安全（Ex i）、正壓（Ex p）、澆封（Ex m）和無火花（Ex n）型等。在眾多的防爆技術中，本質安全（以下簡稱本安）防爆技術具有成本低、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、低功率電氣設備、儀器儀表等領域內，它是首選的防爆技術。然而由于本安防爆實質上是系統(tǒng)防爆，其防爆性能不僅與關聯(lián)設備有關，而且也與相應設備有關。 煤礦行業(yè)的通訊設備必須符合《GB3836 爆炸性氣體環(huán)境用設備》標準，我們也簡稱為“煤安”標準。 現(xiàn)場總線CAN-bus 的傳輸介質可以是雙絞線，同一網絡可以連接110 個設備；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)見表格 2 所示。 [align=center]表格 2 各型號CAN 收發(fā)器的最大電源電流 [/align] 煤礦行業(yè)中，構建CAN-bus 網絡的常用CAN-bus 設備的功耗指標見表格 3 所示。 [align=center]表格 3 各型號CAN 設備的最大電源電流 [/align] 由上述兩表列出的參數(shù)可見，基于現(xiàn)場總線CAN-bus 的設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、通訊距離 煤礦行業(yè)的通訊網絡涉及礦上通訊、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絡，井下礦道通訊可能需要達到20 公里，甚至有更遠的距離。 現(xiàn)場總線技術中，通訊距離與通訊速率密切相關。通常，當通訊速率為5Kbps 時，CAN-bus 網絡可以達到10Km 的通訊距離；安裝1 個CANbridge 網橋，即可以延長1 倍的通訊距離，并可增加連接1 倍的CAN-bus 節(jié)點數(shù)目。 煤礦行業(yè)建立CAN-bus 網絡時，根據現(xiàn)場的通訊距離、數(shù)據流量等需求參數(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 網橋、CANET-E 網關都可以支持2.5Kbps的通訊速率。 通訊電纜的合理選擇，對CAN-bus 網絡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 網絡的傳輸介質，參數(shù)：雙絞線，直徑1.5mm2，電阻12.1Ω/Km，電感800mH/Km，電容0.06uF/Km。符合該參數(shù)的礦用阻燃電纜可以在5Kbps 達到6～7Km的通訊距離。 3、網絡布線 煤礦行業(yè)的礦井結構比較復雜，一般都存在較多的分支巷道，多為樹形結構或者魚刺形結構。通常的CAN-bus 總線型拓撲結構并不適合礦井內的通訊布線；但是，通過在合適位置安裝CANbridge 網橋，從而改變整個網絡的拓撲方式，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，增加網絡整體連接設備的能力。 圖 1 是一個煤礦井下礦道的CAN-bus 網絡布線實例，說明了CANbridge 網橋在井下礦道的應用，以及如何合理地改變CAN-bus 總線的拓撲結構。 [align=center] 圖 1 網橋CANbridge 的應用實例[/align] 終端電阻的連接也是CAN-bus 網絡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，對于主干線上的其它任何設備不用接終端電阻；對于連接到CANbridge 網橋的CAN-bus 分支線網絡，同樣要在最遠兩端必須各接一個120Ω 的終端電阻。關于拓撲結構的知識，可以參考文檔《網橋CANbrige 在煤礦通訊井下網絡中的應用》。 3. 煤礦通訊的CAN-bus 應用實例 目前，煤礦行業(yè)的通訊網絡主要用于實現(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)。下面將介紹一些已經成功投入運行的應用實例。 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 識別已經成為煤礦行業(yè)中人員考勤與巡檢系統(tǒng)的主流技術。當帶有個人信息的RFID 卡進入RFID 讀卡器的識別范圍之后，RFID 讀卡器將讀取RFID 卡片信息，再將卡片信息通過CAN-bus 網絡傳輸?shù)綌?shù)據處理中心。 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。需要合理地設置RFID 讀卡器的間距，一般應用中，每間隔50m 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，構成1 個具有CAN-bus 通訊接口的RFID 讀卡器，通過CAN-bus 網絡傳輸RFID 卡信息。 [align=center] 圖 2 采用CSM100 模塊建立CAN-bus 通訊網絡[/align] [align=center] 圖 3 RFID 讀卡器、RFID 電子標簽[/align] 2、 安全參數(shù)檢測 煤礦礦井內中需要檢測的各種環(huán)境參數(shù)有：溫度濕度、氣體濃度、粉塵濃度、電力設備參數(shù)、運行機構參數(shù)等。 煤礦礦井內作業(yè)現(xiàn)場的各種環(huán)境參數(shù)，通過安裝在各控制點的監(jiān)測傳感器，轉換成通常的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)采樣設備；每一個環(huán)境參數(shù)采樣設備都可以連接多達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)采樣設備連接到CAN-bus 網絡可以有以下幾種方式： 􀁺 ●集成CAN-bus 通訊電路的采樣設備直接連接到CAN-bus 網絡，設備地址、通訊速率等參數(shù)通過外部的撥碼地址開關設定，方便現(xiàn)場調節(jié)； 􀁺 ●集成RS-232 通訊電路的采樣設備通過CAN232MB 轉換器連接到CAN-bus 網絡，采用透明轉換方式，需要事先人工設定RS-232 通訊速率、CAN-bus 通訊速率，還可以增設唯一的設備單元地址； 􀁺 ●集成RS-485 通訊電路的采樣設備通過CAN485MB 轉換器連接到CAN-bus 網絡，采用透明轉換方式，需要事先人工設定RS-485 通訊速率、CAN-bus 通訊速率，還可以增設唯一的設備單元地址； 煤礦礦井內的所有環(huán)境參數(shù)采樣設備都連接到同一個CAN-bus 網絡，并通過同一級網的CAN-bus 網橋（采用光纖通訊或雙絞線通訊介質，用于延長通訊距離）、上一級網的CANET-E 網關（用于轉換成以太網Ethernet 數(shù)據），連接到煤礦井上的主控PC 機。 [align=center] 圖 4 基于CAN-bus 的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[/align] 4. 煤礦通訊中的CAN-bus 發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線CAN-bus 是一個開放的標準，也是最早獲得市場認可的國際標準之一；幾乎所有的國際半導體公司都提供有開發(fā)CAN-bus 產品的支持。只需簡單地約定網絡應用層的通訊協(xié)議，所有基于CAN-bus 總線的節(jié)點設備能夠方便地互連互通，形成多種設備相互通訊的數(shù)據網絡。因此，基于現(xiàn)場總線CAN-bus 標準，煤礦通訊網絡中的考勤與巡檢設備、安全參數(shù)檢測設備可以共存于同一個現(xiàn)場總線CAN-bus 網絡之中，也可以為未來新增加的設備提供一個標準的通訊接口。 利用現(xiàn)場總線CAN-bus，可以非常方便地構建起煤礦行業(yè)的井下通訊主干網絡。同時，作為現(xiàn)場總線CAN-bus 網絡的一個設備節(jié)點，CANET-E 網關可以與以太網Ethernet 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 網絡，實現(xiàn)數(shù)十公里以外，乃至整個地區(qū)的運行數(shù)據采集、管理，滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場數(shù)據的現(xiàn)代化管理要求。同理，井下的CAN-bus 設備節(jié)點可以與Wireless 網絡實現(xiàn)互連互通，從而構成小范圍的無線數(shù)據采集（主要是RFID 采集）網絡。由此看來，煤礦行業(yè)的CAN-bus 網絡正朝著三層網絡的方向發(fā)展，結構如圖 5 所示。 [align=center] 圖 5 煤礦行業(yè)的三層網絡架構[/align] 采用光纖通訊的CAN-bus 網絡也是煤礦行業(yè)通訊網絡的一個發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的雙絞線傳輸方式相比，光纖的低傳輸損耗使傳輸距離大為增加，更適應煤礦行業(yè)中一些遠距離傳輸?shù)男枨蟆Ａ硗猓饫|還具有不輻射能量、不導電、沒有電感，且光纜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。光纖通訊方式、雙絞線通訊方式的兩種CAN-bus 網絡將并存于煤礦行業(yè)中。