煤礦通信常用的設(shè)備與功能分析

【摘要】隨著科技的不斷進(jìn)步，煤礦企業(yè)的綜合管理水平及自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)水平都有了顯著的提高。本文以陜西省神木縣某煤礦企業(yè)為例，詳細(xì)闡述了煤礦通信設(shè)備的組成及煤礦企業(yè)對(duì)通信設(shè)備的要求，基于此引入了隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠減少信號(hào)失真和誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的兼容性，有效降低了系統(tǒng)和元件受系統(tǒng)電壓的影響，使煤礦通信設(shè)備避免受損，降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

【關(guān)鍵詞】煤礦通信；CAN總線網(wǎng)絡(luò)；功能分析

1、前言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，煤礦企業(yè)的綜合管理水平及自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)水平都有了顯著的提高。傳統(tǒng)的煤礦設(shè)備由于體積大、質(zhì)量高、故障率高、信號(hào)差等缺點(diǎn)已不能滿足于新時(shí)代煤礦企業(yè)的需求。基于此，本文作者以陜西省神木縣某煤礦企業(yè)為例進(jìn)行闡述，主要是在現(xiàn)有通信設(shè)備上引入了隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)通信電纜系統(tǒng)容易受過(guò)壓瞬變和接地環(huán)路的干擾和破壞等不利影響，基于隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了煤礦設(shè)備與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入通信系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)控制器的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，有效提高了系統(tǒng)的兼容性能，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的信息互通，提高了設(shè)備的利用率，降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2、煤礦通信設(shè)備的組成及要求

2.1煤礦通信設(shè)備的組成

眾所周知，煤礦通信設(shè)備在煤礦企業(yè)中起到了至關(guān)重要的作用，它能夠保證煤礦生產(chǎn)、安全及經(jīng)營(yíng)的需要。因此，一個(gè)現(xiàn)代化的煤礦企業(yè)在通信方面必須要做到行政與調(diào)度的有利互補(bǔ)，有線和無(wú)線通信手段的相互配套，只有這樣才能提高通信設(shè)備的利用率。具體來(lái)說(shuō)，煤礦通信設(shè)備主要由行政交換機(jī)、生產(chǎn)調(diào)度交換機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。行政通信系統(tǒng)：主要為煤礦的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)及管理提供通信保障，行政通信系統(tǒng)在煤礦通信網(wǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。特別是在如今的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，行政通信不能僅僅滿足于接打電話的現(xiàn)狀，更要站在大通信、可運(yùn)營(yíng)的高度，重點(diǎn)考慮設(shè)備運(yùn)行的可靠性、增值業(yè)務(wù)的開發(fā)能力、綜合計(jì)費(fèi)能力等，不斷滿足煤礦通信走向市場(chǎng)的需要，使得煤礦通信朝著可運(yùn)營(yíng)的方向邁進(jìn)。生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)：該系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)管理中的重要設(shè)備之一，在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在地面它是行政通信系統(tǒng)不可缺少的重要補(bǔ)充部分，而且在煤礦生產(chǎn)規(guī)程中明確規(guī)定，在地面一些重點(diǎn)部位必須要安裝行政、生產(chǎn)兩套通信設(shè)備，保證在一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)能夠及時(shí)滿足生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的需要。在井下，生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)則是主要的通信手段，井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息都是通過(guò)該系統(tǒng)來(lái)傳遞的。計(jì)算機(jī)、安全監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)：礦井計(jì)算機(jī)、安全監(jiān)測(cè)、監(jiān)控等配套系統(tǒng)種類繁多，傳輸?shù)男盘?hào)也各有不同。在具體執(zhí)行過(guò)程中，我們會(huì)要求系統(tǒng)內(nèi)的各種信息要及時(shí)傳遞到主調(diào)度室，同時(shí)部分信息要進(jìn)入生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)以供有關(guān)部門掌握，所以生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)必須要具備較高的兼容性。

2.2煤礦通信設(shè)備的要求

煤礦生產(chǎn)主要在地下作業(yè)，而地下的工作環(huán)境又比較惡劣，不安全因素較多，人員、設(shè)備的流動(dòng)性較大。受上述諸多因素影響，煤礦企業(yè)必須要對(duì)通信設(shè)備提出較高的要求。首先，煤礦生產(chǎn)受諸多特殊因素影響，我們必須要保證信息的傳輸通道順暢，傳輸?shù)男畔⒓皶r(shí)、準(zhǔn)確。這就需要我們?cè)诿旱V生產(chǎn)過(guò)程中把專業(yè)調(diào)度系統(tǒng)擺在十分突出的位置，使通信設(shè)備既能滿足井下的安全、生產(chǎn)需要，又能滿足地面的指揮、管理等需求。另外，我們還要建立生產(chǎn)、洗煤專業(yè)調(diào)度通信系統(tǒng)，并使其與專業(yè)調(diào)度系統(tǒng)相互成網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的相互傳遞。其次，煤礦通信設(shè)備必須要滿足新形勢(shì)下煤礦企業(yè)對(duì)通信信息量的需求。在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代，煤礦企業(yè)與外部的通信信息量較小，到了如今的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，煤礦企業(yè)對(duì)外交往越來(lái)越頻繁，各煤礦之間的交流也不斷增多。因此，我們?cè)谶M(jìn)行通信系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)必須要充分認(rèn)識(shí)到信息量的變化，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)既能滿足煤礦企業(yè)的內(nèi)部生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)需要，又能夠滿足對(duì)外溝通的需要。最后，煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)倍受多方重視，這就要求我們必須逐步完善井下的通信網(wǎng)絡(luò)，提高通信技術(shù)水平，尤其是井下應(yīng)急通信系統(tǒng)。

3、網(wǎng)絡(luò)通信在煤礦通信中的應(yīng)用

煤礦通信系統(tǒng)具有數(shù)字式語(yǔ)音雙向無(wú)阻塞通信，一鍵到位，組呼、全呼、選呼、強(qiáng)拆、強(qiáng)插、監(jiān)|聽，緊呼（緊急聲燈告警），調(diào)度臺(tái)中文名稱顯示及位置，自動(dòng)錄音功能（可保薦1年以上），通話歷史記錄查詢等煤礦調(diào)度通信系統(tǒng)行業(yè)基本功能（國(guó)家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)功能），還具有內(nèi)外線多方電話會(huì)議，IP融合通信，一鍵外呼直撥電話、集團(tuán)彩鈴、語(yǔ)音留言等等功能。隨著煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)代化程度不斷提高，對(duì)通信手段、系統(tǒng)功能的要求也在不斷增多。保證通信信息能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、快速的傳遞對(duì)于煤炭生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)來(lái)說(shuō)極為重要。光纜、數(shù)字微波、數(shù)字程控交換機(jī)應(yīng)該在礦井通信系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，而且寬帶上網(wǎng)、無(wú)線通信、圖像傳輸?shù)仍诘V井也要得到基本的普及。

3.1隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1000M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)是現(xiàn)代化煤礦通信的骨干網(wǎng)絡(luò)，我們可以在該網(wǎng)絡(luò)中接入各種監(jiān)測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)井下的作業(yè)環(huán)境、安全生產(chǎn)等進(jìn)行有效的監(jiān)控。此外，我們還可以將有線IP電話和無(wú)線移動(dòng)電話，數(shù)字視頻系統(tǒng)及人員定位系統(tǒng)接入到該網(wǎng)絡(luò)中，充分發(fā)揮以太環(huán)網(wǎng)在煤礦通信中的作用。一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)通過(guò)工業(yè)級(jí)交換機(jī)給工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)提供接口，使得全礦地面及井下各子系統(tǒng)與主干網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)方便靈活的連接；而地面調(diào)度控制中心則是通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山各個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，及時(shí)了解工作人員的安全狀況和設(shè)備的工作狀態(tài)等。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)分別被分布在地面和井下，為了完成對(duì)地面及井下主要工作區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，我們必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)將其分段接入骨干網(wǎng)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍比較廣、適應(yīng)性比較強(qiáng)，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)變電站、采煤機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的分布式移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)礦山的自然環(huán)境、災(zāi)害等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，甚至可以成為語(yǔ)音及視頻的傳輸通道。但是，在具體操作過(guò)程中，由于我們將多個(gè)不同的子系統(tǒng)與CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行連接，而且線纜鋪設(shè)距離很長(zhǎng)，所以我們必須將CAN總線和所有接入的系統(tǒng)之間做好有效的隔離，只有這樣才能分散CAN總線電纜網(wǎng)絡(luò)與接入各子系統(tǒng)的電壓，防止過(guò)壓瞬間給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成破壞。另外，有效的隔離還能減少信號(hào)的失真與誤差，有效消除網(wǎng)絡(luò)中的接地環(huán)路，防止電壓多大對(duì)整個(gè)電路造成的影響，因此，采用隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)煤礦通信系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。我們?cè)趯?duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須要通過(guò)連接電阻使其達(dá)到隱性的狀態(tài)，然后通過(guò)CANH及CANL的有效組合再使其達(dá)到顯性的狀態(tài)。但是，由于數(shù)字隔離器不支持這種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，所以我們無(wú)法在CAN總線收發(fā)器和電纜之間應(yīng)用數(shù)字隔離器?；诖耍萍既藛T就在數(shù)字隔離器的基礎(chǔ)上研究出了ADM3052，它既是一種隔離式控制器也是一種區(qū)域網(wǎng)絡(luò)物理層的收發(fā)器，更是集成隔離DC/DC的轉(zhuǎn)換器，而且符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。ADM3052主要是應(yīng)用ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，在CAN總線配置與各子系統(tǒng)之間提供5KVrms隔離，而且ADM3052具有CAN總線網(wǎng)絡(luò)所要求的物理層特性，通過(guò)在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個(gè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線與各子系統(tǒng)之間的有效隔離。具體如圖1所示。

3.2隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)分析

總體來(lái)說(shuō)，隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲要大于非隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲，但ADM3052卻能以最高1Mbps的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行工作，它的傳播延遲要明顯小于光耦。傳播延遲越短意味著CAN總線與各子系統(tǒng)之間的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間越快，工作效率越高，而且這在系統(tǒng)的仲裁期間起到了至關(guān)重要的作用，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)必須自行判斷哪一條消息享有優(yōu)先權(quán)，進(jìn)而控制總線。所以，數(shù)據(jù)的傳播速率和CAN總線的線路最大值均依據(jù)傳播延遲時(shí)間來(lái)決定。

通常情況下，一個(gè)CAN比特由四個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)間段組成，分別為同步段、傳播段、相位段1和相位段2，這些獨(dú)立的時(shí)間段就可以在CAN總線中實(shí)現(xiàn)獨(dú)立編程。但是，不同的子系統(tǒng)都可以對(duì)總線進(jìn)行訪問，它們?yōu)榱藸?zhēng)奪訪問權(quán)會(huì)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而此時(shí)的CAN就會(huì)采用逐位仲裁的方式進(jìn)行判斷。傳輸節(jié)點(diǎn)則是通過(guò)對(duì)CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣來(lái)判斷自己是否贏得仲裁，所以為了規(guī)避系統(tǒng)的傳播延遲，CAN總線控制器必須對(duì)各位的采樣時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)耐緩骄褪窃诳刂破髦性O(shè)置PROP—SEG。下面我們進(jìn)行如下假設(shè)，假如此時(shí)的電纜長(zhǎng)度為20m，數(shù)據(jù)速率或比特率為1Mbps，電纜傳播延遲為5ns/m，CAN控制器振蕩器的頻率為36MHz。但是對(duì)于ADM3052來(lái)說(shuō)，從TxD到RxD的傳播延遲為250ns，是延遲中的最大值，而電纜的物理延遲等于5ns/m，電纜長(zhǎng)度為20m，5ns/m*20m=100ns。根據(jù)計(jì)算我們可以看出，通過(guò)系統(tǒng)并返回到總控制器的總傳播時(shí)間為：2（傳播延遲+收發(fā)器傳播延遲）=2×（100+250）=700ns。

我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)控制器的編程，就必須將寄存器設(shè)置為“時(shí)間量子”的整數(shù)倍。一般時(shí)間量子的時(shí)長(zhǎng)與CAN系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間周期相等，被設(shè)置為28ns。我們對(duì)28ns的時(shí)間量子進(jìn)行分析，其中每位都包括36（1000/28=36）個(gè)時(shí)間量子。PROP_SEG=ROUND_UP（700ns/28 ns）=25個(gè)時(shí)間量子。接下來(lái)，我們從每位的36個(gè)時(shí)間量子中減去用于PROP_SEG的25個(gè)時(shí)間量子和用于SYNC_SEG的1個(gè)時(shí)間量子，然后將剩余的時(shí)間量子分配給PHASE_SEGl和PHASE—SEG2，每段5個(gè)。但是，由于CAN系統(tǒng)時(shí)鐘存在容差，所以會(huì)出現(xiàn)累積相位的誤差，這就要求系統(tǒng)必須通過(guò)再同步跳躍（RJW）同步，使得RJw為4和PHASE_SEGl二者中的較小值，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的編程。

3.3通信協(xié)議

在具體的CAN2.0規(guī)范中，我們只對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行定義，并未對(duì)ISO參考模型中的其他層結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義。因此，為了提高CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兼容性，使得不同生產(chǎn)廠家的電氣設(shè)備都能在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信，我們還應(yīng)該在系統(tǒng)的應(yīng)用層采用CANopen作為CAN的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這有這樣才能實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互通有無(wú)，提高了系統(tǒng)的兼容性及使用效率，避免出現(xiàn)“信息孤島”的情況，提高了信息的利用率。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)通常會(huì)采用CANopen作為CAN的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，然后通過(guò)網(wǎng)關(guān)使多個(gè)CANopen在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)相互通信。網(wǎng)關(guān)在EtherNet網(wǎng)絡(luò)中是TCP Server，而在CANopen網(wǎng)絡(luò)中則是CANopen的主站，因此可以使多個(gè)CANopen在站與具有TCP Client設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。因此，CANopen在CAL基礎(chǔ)上繼承了CAL的通訊和服務(wù)協(xié)議子集，所以，CANopen標(biāo)準(zhǔn)也包括了通訊和設(shè)備子協(xié)定、尋址方案，而且它不但支持設(shè)備監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)管理還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通訊。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)CANopen設(shè)備至少由對(duì)象字典、通信接口和應(yīng)用程序三部分組成，它們之間具有一定的聯(lián)系。其中，CANopen通過(guò)通信協(xié)議接口實(shí)現(xiàn)對(duì)總線上通信信息的收發(fā)，通過(guò)交換通信對(duì)象來(lái)完成不同CANopen設(shè)備間的通信。通常我們會(huì)在CANopen協(xié)議中定義4種通信對(duì)象（通信模式），主要用于對(duì)不同作用的信息進(jìn)行處理，這4種通信對(duì)象分別為：NMT對(duì)象（網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象）、SDO對(duì)象（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）、PDO對(duì)象（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）、特殊功能對(duì)象。四種通信對(duì)象的主要功能如下：對(duì)象字典主要用來(lái)設(shè)定設(shè)備的組態(tài)，并實(shí)現(xiàn)非即時(shí)通訊，對(duì)象字典通常由16位元索引變量陣列構(gòu)成，然后通過(guò)變量對(duì)設(shè)備的組態(tài)進(jìn)行調(diào)整。為了支持必要的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，在CANopen設(shè)備中至少需要一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO（Service Da_ta Object）。CANopen可以采用master/slave、client/server和producer/consumer三種通信模型來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。其中，在SDO協(xié)定中對(duì)client/server模型進(jìn)行定義，SDO client的主要功能就是將對(duì)象字典的索引及子索引傳送給SDO server，SDO封包就是在此過(guò)程中產(chǎn)生的。producer/consumer通信模型設(shè)備則至少需要一個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO（Process DataObject），系統(tǒng)通過(guò)PDO協(xié)議可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息實(shí)現(xiàn)即時(shí)交換。為了提高CANopen設(shè)備的兼容性，我們?cè)趯?duì)CANopen設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要滿足各子系統(tǒng)的一致性、互用性和互換性的需求，使CANopen設(shè)備通過(guò)狀態(tài)機(jī)（state machine）的控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)和重置。狀態(tài)機(jī)一般包括如下幾個(gè)狀態(tài)：初始化，預(yù)操作，操作和停止四個(gè)狀態(tài)。當(dāng)CANopen設(shè)備接收到網(wǎng)絡(luò)管理（NMT）通訊對(duì)象時(shí)就會(huì)根據(jù)狀態(tài)變更命令，此時(shí)狀態(tài)機(jī)也會(huì)轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

4、結(jié)論

近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，煤礦企業(yè)正在向現(xiàn)代化的方向逐步推進(jìn)，井下的通信設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備也越來(lái)越多，CAN總線網(wǎng)絡(luò)憑借其較高的靈活性和高抗噪聲干擾能力使得該協(xié)議更適用于煤礦各系統(tǒng)間的通信。本文針對(duì)通信電纜系統(tǒng)容易受過(guò)壓瞬變和接地環(huán)路的干擾和破壞等不利影響，基于隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了煤礦設(shè)備與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入通信系統(tǒng)，并對(duì)隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)控制器的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，盡可能使其以1Mbps的速度運(yùn)行，對(duì)于CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的通信協(xié)議，我們?nèi)匀徊捎肅ANopen協(xié)議。在具體應(yīng)用過(guò)程中，我們將隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)用于不同系統(tǒng)間的煤礦長(zhǎng)距離的串行通信，然后通過(guò)數(shù)字的方式將CAN總線及與其相連的各子系統(tǒng)隔離開來(lái)，進(jìn)一步減少了信號(hào)失真和誤差，有效降低了系統(tǒng)和元件受系統(tǒng)電壓的影響。與此同時(shí)，CANopen在保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互用性的基礎(chǔ)上能隨意擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的功能，充分保障了在煤礦惡劣的作業(yè)環(huán)境中提高礦井通信的實(shí)時(shí)性和物理安全性。

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