關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學(xué)會(huì)煤礦智能化委員會(huì)年會(huì)暨千人智庫科創(chuàng)服務(wù)站工作會(huì)的通知

煤礦井下人員監(jiān)控系統(tǒng)CAN技術(shù)研究

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘要：建立先進(jìn)的煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的意義；本文介紹了煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信應(yīng)用技術(shù)，以及在現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用情況，為煤礦企業(yè)選擇、應(yīng)用井下人員考勤定位系統(tǒng)提供了較好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：煤礦井下人員安全監(jiān)控；通信技術(shù)；CAN總線技術(shù)。

在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備控制層常用的通信技術(shù)有RS-485，現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)等。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制層將有可能采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。下面分別對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行論述，并且主要對(duì)當(dāng)前比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行比較，從而選擇適合在礦井人員安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用的通信技術(shù)。

1、R S -485

RS -485利用差分方式來傳翰數(shù)據(jù)，有效地抑制了共模干擾，提高了可靠性與通信距離。RS-48的電氣特性與RS-422相同。RS-422的通信速率可達(dá)IOMb/s(距離上限為10m)，通信距離可達(dá)1.2km(速率上限為.OOkb/s). RS-485的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，但是僅實(shí)現(xiàn)了物理層協(xié)議，對(duì)于鏈路層沒有定義，缺乏總線仲裁、出錯(cuò)校驗(yàn)、可靠性措施等諸多網(wǎng)絡(luò)功能。采用R S- 485連成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其余均為從節(jié)點(diǎn)。這種主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)無法構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)或冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對(duì)主節(jié)點(diǎn)的可靠性要求很高。另外，網(wǎng) 絡(luò)中數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)型，任何一次數(shù)據(jù)傳輸都是主節(jié)點(diǎn)首先發(fā)出命令，從節(jié)點(diǎn)接到命令后，以相應(yīng)的方式傳給主節(jié)點(diǎn)。這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低很多，并且使主節(jié)點(diǎn)控制器非常繁忙。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于過程控制現(xiàn)場(chǎng)的一種數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，它不僅包含有過程控制信息交換，而且還包含設(shè)備管理信息的交流。通過現(xiàn)場(chǎng)總線，各種智能設(shè)備(智能變送器、調(diào)節(jié)法、分析儀和分布式拍單元)可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，過程控制策略可以完全在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層次上實(shí)現(xiàn)。目前 ， 使 用較多的現(xiàn)場(chǎng)總線主要是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF,FUNDATION FIEI.DBUS)和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。

(1)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)

基金 會(huì) 現(xiàn) 場(chǎng)總線能適應(yīng)本質(zhì)安全防爆的要求，可以通過傳輸數(shù)據(jù)的總線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供工作電源。FF定義了OR模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶層。FF的優(yōu)點(diǎn)是配置靈活、協(xié)議的功能齊全;其缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，兼容設(shè)備有限，另外其標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程以及被工業(yè)應(yīng)用接受的進(jìn)程比較緩慢。

(2) PROFIBUS

PROFIBCS用了OR模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。根據(jù)應(yīng)用的特點(diǎn)，PROFIBU有三個(gè)兼容版本:PROFIBUS-DP. PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-PA.PROFIBUS的優(yōu)點(diǎn)是能夠高速處理大量的數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，每個(gè)報(bào)文最多可包含244字節(jié)的數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是傳送的數(shù)據(jù)少時(shí)，額外開銷大，因?yàn)槊總€(gè)報(bào)文均有12個(gè)字節(jié)的額外開銷;另外，PROFIBUS在總線上沒有電源。

(3) CA N技術(shù)

20 世紀(jì) 8 0年代初，德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換悶?zāi)В_發(fā)了一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議--CANT. CAN是一種可以有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其性能較好，己經(jīng)從汽車行業(yè)推廣到其它工業(yè)控制領(lǐng)域成為一種事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CA N定 義 了OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)應(yīng)用層沒有進(jìn)行定義。CAN的最大特點(diǎn)是其可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、連接方便。CAN的相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格比較低廉，并且CAN協(xié)議得到了Intel. Motorola. Pbilips. Simens. NEC等多家國際著名大公司的支持。

CA N (C ontorllerA reaN etwork)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。它最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)里。起先，CAN總線被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。CA N總線的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短、受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)極其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯(cuò)能力。CA N總線 支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接枷吸送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳軸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。CA N通訊 協(xié)議描述了在設(shè)備之間信息如何傳遞。它對(duì)層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OR一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的結(jié)構(gòu)定義了模型的最下面的兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層通過不同的新興協(xié)議層(專門用于特殊的工業(yè)領(lǐng)域加上由個(gè)別CAN用戶定義的任何合適的方案)和物理層連接。

CAN的性能特點(diǎn)：

CA N 是 由ISO定義的一種多主方式的串行通訊總線，它的基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求，有高的位速率，高抗電磁千擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤.一個(gè)由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當(dāng)使用PhiilpsP8 2CZ50作為CAN收發(fā)器時(shí)，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到1010.時(shí)，CAN總線仍可提供高達(dá)5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了CAN的抗電磁干擾能力。作為 一 種 技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善的現(xiàn)場(chǎng)總線，CAN已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用CAN總線。和一般通信總線相比，CAN總線都具有不可比擬的優(yōu)越性。歸納如下：

. 低成本；極高的總線利用率。

. 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)達(dá)(10Km)

. 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)(1Mbps)

. 可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文

. 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制

. 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)

. 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能

. 報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息

3 、工業(yè)以太網(wǎng)

下面從通信帶寬等五個(gè)方面對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行對(duì)比。

(1)通 信 帶 寬

以太網(wǎng)的通信速率較高，其標(biāo)準(zhǔn)帶寬為1OMbps，現(xiàn)在又出現(xiàn)了快速以太網(wǎng)(100Mbps)以及千兆以太網(wǎng)。而一般的現(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬都沒有超過12Mbps，

表1幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的最大帶寬(單位：bps)

表1列出了常用的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的最大帶寬。從帶寬角度講，以太網(wǎng)較現(xiàn)場(chǎng)總線有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，在一般的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)通信速率的要求并不是很高，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率可以滿足要求。

(2)傳輸短報(bào)文時(shí)帶寬利用率

在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一般站點(diǎn)之間的通信以交換短報(bào)文(由幾個(gè)字節(jié)組成)為主.以太網(wǎng)的MAC(Medium Access Control，媒體訪問控制)子層中，采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問)}}議。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送短幀時(shí)，有可能第一個(gè)尚未到達(dá)電纜的最遠(yuǎn)端就已經(jīng)完成發(fā)送，于是造成沖突發(fā)生卻檢側(cè)不到的現(xiàn)象，導(dǎo)致通信無法正常進(jìn)行。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，必須對(duì)最短技長(zhǎng)度進(jìn)行限翻。因此 ，采用以太網(wǎng)來傳輸短報(bào)文，造成了很大的帶寬浪費(fèi)。使其用于傳輸有用信息的速率大打折扣。

(3)實(shí)時(shí)性

在工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng)，數(shù)據(jù)必須在確定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的站點(diǎn)。對(duì)于信道的訪問，以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議，這種協(xié)議不能確保報(bào)文何時(shí)到達(dá)目的站點(diǎn)。在一些對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，報(bào)文的延遲將會(huì)造成嚴(yán)重后果。而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的傳輸是確定性的，可以預(yù)知報(bào)文何時(shí)到達(dá)目的站點(diǎn)。

(4)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性

以太網(wǎng)在總線上沒有電源，連接器脆弱。與大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)更容易受電磁干擾以及射頻千擾。

(5)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的支持

目前，支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有限，少量支持以太網(wǎng)的設(shè)備價(jià)格昂貴，導(dǎo)致整個(gè)工程的成本過高。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)而言，支持的廠家較多，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇的余地較大，另外，價(jià)格比較低廉。從上述比較可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)更是在成本、可靠性、通信速率方面滿足系統(tǒng)要求。因此，在所以在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層的通信總線較為實(shí)用。使用現(xiàn)場(chǎng)總線帶來的好處：

節(jié)省硬件成本；

設(shè)計(jì) 、組態(tài)、安裝以及調(diào)試簡(jiǎn)便；

系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備更換和系統(tǒng)擴(kuò)充方便；

系統(tǒng)的安全、可靠性好，減少故障停機(jī)時(shí)間；

用戶對(duì)系統(tǒng)配制、設(shè)備選型有最大的自主權(quán)；

完善了企業(yè)信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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2．陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用[M1 北京:清華大學(xué)出版社.2003

3 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M],北京：北京航空航夭大學(xué)出版社 出版：2003.

作者簡(jiǎn)介：劉西青（1966-），女，北京市人，太原科技大學(xué)畢業(yè)，工程師、講師，從事煤礦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程教學(xué)研究和計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)絡(luò)管理工作。太原 030031