基于CAN總線技術的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：煤礦安全問題一直以來都是全社會關注的焦點問題，而提高煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、安全性、穩(wěn)定性，是提高煤礦安全管理的重要手段。對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，煤礦井下工作環(huán)境具有現(xiàn)場復雜、設備分布分散、環(huán)境惡劣等特點，因此會對煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。與其它技術相比，CAN總線技術體現(xiàn)出通信速率快、傳輸距離長、容納節(jié)點多等優(yōu)勢，故在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用越來越廣泛。文章針對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中CAN總線技術的應用進行研究。

關鍵詞：CAN總線技術；煤礦安全；監(jiān)控系統(tǒng)

CAN是一種串行通訊網(wǎng)絡，是指控制器局域網(wǎng)，可實現(xiàn)分布式的實時控制，與其它通訊網(wǎng)絡技術相比，CAN的優(yōu)點體現(xiàn)出簡潔的反饋信息、遠距離的傳輸、較低的傳輸錯誤率、較高的傳輸效率、高可靠性、糾錯能力強等多個方面，故在煤礦安全監(jiān)控管理中采用CAN總線技術有著重要的現(xiàn)實意義。

1 CAN總線與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

CAN為串行通信協(xié)議，可有效支持分布實時控制，體現(xiàn)出較高的安全等級。CAN應用系統(tǒng)的設計要以CAN技術規(guī)范為基本依據(jù)，在任何兩個基于CAN總線的儀器之間建立兼容性，對傳輸層進行規(guī)范定義，在周圍各層當中將CAN協(xié)議的作用充分發(fā)揮出來。CAN的主要特點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）多主工作方式，即網(wǎng)絡上任意一節(jié)點在任意時刻均可向其它節(jié)點主動發(fā)送信息，各節(jié)點之間不存在主從關系；而報文標識符方面，CAN可以將各個節(jié)點分為不同優(yōu)先級，可更好滿足不同的實時要求。（2）CAN采用非破壞總線仲裁技術，該技術可以保證網(wǎng)絡在負載較大的情況下保持穩(wěn)定性；直接通訊距離可以速率低于每秒5kb的狀態(tài)下達到10km。（3）由于報文采用的是短幀結(jié)構，故不易受干擾，傳輸時間短；CAN總線驅(qū)動器電路決定了網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)。（4）CAN每幀信息均有CRC校驗及其它檢錯措施，這些可靠的檢錯措施組成了系統(tǒng)可靠的錯誤處理及糾錯機制。即使錯誤非常嚴重，CAN也具備自動關閉輸出功能；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動重發(fā)。由此可見，與一般的通信總線相比，CAN采用了許多新技術及新設計，體現(xiàn)出較強的可靠性、實時性及靈活性。在煤礦安全監(jiān)控管理中應用CAN總線技術，可以實現(xiàn)對任意一路CAN任意節(jié)點的檢測、配置、組態(tài)，系統(tǒng)中的傳感器、控制器、執(zhí)行器均為互相獨立的節(jié)點，真正做到分散控制、互相通信。

2 基于CAN總線技術的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

基于CAN總線技術的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)共包括三大部分，即煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)、礦井網(wǎng)關及多礦井分布式監(jiān)控子網(wǎng)絡，下文分別進行介紹：

2.1 煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)

煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)采用實時在線智能管理控制系統(tǒng)—因特摩系統(tǒng)來實現(xiàn)，其將包含了專家系統(tǒng)、智能搜尋器、自動機器翻譯及計算機視覺等技術的智能系統(tǒng)與因特網(wǎng)、通信技術、自動化技術、實時數(shù)據(jù)處理技術及數(shù)據(jù)庫技術等結(jié)合在一起，實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的智能監(jiān)控。在煤礦安全生產(chǎn)中應用因特摩技術，可獲取更多事故預報的私有知識，以起到預報事故的作用，為安全生產(chǎn)管理者提供更多的參考信息，提高決策管理的針對性，將事故控制在萌芽狀態(tài)。該模塊包括分站監(jiān)控機、主監(jiān)控機及分布式系統(tǒng)，井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責采集工作現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)關提交至各分站監(jiān)控機智能決策及管理系統(tǒng)，分站監(jiān)控機分析后，將處理過的信息提交至主監(jiān)控機與服務器，最終得出相關決策及措施，對應設備接收到相關控制信息后做出反應，實現(xiàn)礦井安全的智能決策與管理。

2.2 礦井網(wǎng)關

礦井網(wǎng)關的主要作用是連接以太網(wǎng)及CAN總線。此處采用AT75C220芯片，該芯片具有兩個以太網(wǎng)接口，并具備語音處理功能；該芯片嵌入網(wǎng)關，CAN總線通過網(wǎng)關連接以太網(wǎng)，由此可見，該模塊中AT75C220處理器是關鍵部分。該芯片具有雙MAC以太網(wǎng)端口及橋接器，用于連接以太網(wǎng)，其DSP語音處理功能可在以太局域網(wǎng)中接入電話。CAN控制器選擇菲利浦公司生產(chǎn)的SJA1000、PCA82C250，其支持CAN2.0B通信協(xié)議，可實現(xiàn)對總線的差動發(fā)送及對CAN控制器的差動接收。以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換是通過AT75C220芯片在網(wǎng)絡層完成的，并通實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線網(wǎng)絡的通信及互聯(lián)。以太網(wǎng)接收IP包，拆包后取出數(shù)據(jù)，再按照CAN通信協(xié)議重新組成幀，發(fā)送至接入設備。通過該網(wǎng)關即可實現(xiàn)CAN總線設備與以太網(wǎng)的通信。

2.3 井下分布式控制子網(wǎng)

井下分布式控制子網(wǎng)是整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各類控制設備及報警設備及分站監(jiān)控機通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是對井下生產(chǎn)及工作環(huán)境進行監(jiān)測，獲得原始的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分站監(jiān)控機通信系統(tǒng)的主要作用是將井下現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)與設備的運行狀態(tài)信息傳輸至井上。通過單片機、獨立CAN控制器所組成的接口模塊，井下數(shù)據(jù)采集設備、各類生產(chǎn)設備、安全設備、控制設備及報警設備等才可實現(xiàn)與CAN總線的通信。井下數(shù)據(jù)采集設備采集各安全指標模擬量及各個開關狀態(tài)量后，再通過CAN通信及接口模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線；此外，通過CAN通信及接口模塊，井下生產(chǎn)設備及安全保障設備實現(xiàn)了與CAN總線與現(xiàn)場控制及報警器的連接，以便實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。

3 結(jié)束語

總之，現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在設備通信協(xié)議標準不統(tǒng)一、系統(tǒng)擴展及升級能力差的特點，CAN是一種有國際標準的現(xiàn)場總線技術更好地解決這一問題，實現(xiàn)了在監(jiān)控節(jié)點多、分布廣、監(jiān)控距離遠的情況下保證監(jiān)控系統(tǒng)實時性的煤礦安全管理要求。

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