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：泵的開停控制，甲烷（瓦斯）CH4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：開停控制、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：開停控制、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。 CAN485MB協議轉換器 性能和技術指標 　支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，符合ISO/DIS 11898規范； 　支持1路CAN控制器，波特率在5Kbps～1Mbps之間可選； 　支持1路RS-485 接口，波特率在600bps～115200bps之間可選； 　雙向環形FIFO結構的大容量緩沖區，保障實時突發大批量數據的可靠通 訊； 　CAN-bus接口采用光電隔離、DC/DC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓：1000Vrms； 　最高幀流量：400幀/秒（擴展幀，每幀8字節數據）； 　工作溫度：-20℃ ～ +85℃； 　安裝方式：可選標準DIN導軌安裝或簡單固定方式； 　物理尺寸：100mm＊70mm＊25mm（不計算導軌安裝架高度）。 煤礦遠程通訊中的CAN-bus應用 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：泵的開停控制，甲烷（瓦斯）CH4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：開停控制、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：開停控制、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： 表1 CAN-bus總線與 RS-485通訊的特性比較 特性 RS-485方式 CAN-bus總線 拓撲結構 　直線拓撲 　直線拓撲 傳輸介質 　雙絞線 　雙絞線 硬件成本 　很低 　每個節點成本有所增加 總線利用率 　低 　高 網絡特性 　單主結構 　多主結構 數據傳輸率 　低 　最高可達1Mbps 容錯機制 　無 　由硬件完成錯誤處理和檢錯機制 通訊失敗率 　很高 　極低 節點錯誤的影響 　故障節點有可能導致整個網絡癱瘓 　故障節點對整個網絡無影響 通訊距離 　<1.2Km 　可達10Km（5Kbps） 后期維護成本 　較高 　很低 　　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。 CAN485MB協議轉換器 性能和技術指標 　支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，符合ISO/DIS 11898規范； 　支持1路CAN控制器，波特率在5Kbps～1Mbps之間可選； 　支持1路RS-485 接口，波特率在600bps～115200bps之間可選； 　雙向環形FIFO結構的大容量緩沖區，保障實時突發大批量數據的可靠通訊； 　CAN-bus接口采用光電隔離、DC/DC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓：1000Vrms； 　最高幀流量：400幀/秒（擴展幀，每幀8字節數據）； 　工作溫度：-20℃ ～ +85℃； 　安裝方式：可選標準DIN導軌安裝或簡單固定方式； 　物理尺寸：100mm＊70mm＊25mm（不計算導軌安裝架高度）。 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。 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。 由于所有的設備都可以主動向總線上發送數據，那么可以設置優先級，重要設備的信號優先級較高。同時為了防止CAN-bus總線負載過大，可以將一些必要的數據作實時發送，而另一些數據在一定的管理機制下才能向總線發送數據，比如主控制設備來查詢的時候，或者按一定的時間間隔再發送。 有必要的話，檢測控制設備之間還可以進行相互的通訊。井下設備和各級主控管理機的通訊是通過CANNET-E（CAN-bus到以太網EtherNet的智能網關）來進行轉換的，以便和以太網EtherNet接口。 CAN總線的傳輸距離隨著波特率的降低而增長。當波特率為5Kbps的時候，不加中繼器的情況下可以達到10Km。整個系統可以根據需要距離的長度而選擇合適的通訊波特率，另外總線通訊距離越長的時候要適當的加大雙絞線的線徑，降低阻抗以減小傳輸延遲 當煤礦通訊網絡需求達到更遠的通訊距離（＞10公里），或者終端數目較多（＞110個）時，安裝CANbridge網橋可以成倍地延長通訊距離，也可以成倍地增加CAN-bus網絡中終端設備的數目。 采用高強度、防水防潮的屏蔽雙絞線完全能夠滿足煤礦通訊領域的可靠性、抗干擾性參數等方面的需求。 在環境要求更高的場合，可以選擇使用單模光纖作為CAN-bus總線的通訊介質，以實現更遠的通訊距離，更高的抗干擾能力；當然，采用光纖通訊會增加一部分CAN-bus網絡的設備成本。 應用成果 　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。