提高煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的研究

徐廣華

【摘要】根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術(shù)提高監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的方法。本文主要介紹煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠性的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定，是煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的最佳選擇。

【關(guān)鍵詞】煤礦安全；監(jiān)測系統(tǒng)；通信可靠性

以保障員工人身安全為中心的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)永恒的主題，研制新型的安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)是保證礦井和人員安全，并在突發(fā)事件后實(shí)現(xiàn)快速救援的重要手段。所以，結(jié)合礦山環(huán)境監(jiān)測與井下人員/機(jī)車的位置，采用先進(jìn)的技術(shù)，構(gòu)建包括綜合環(huán)境監(jiān)測和人/車定位控制在內(nèi)的一整套綜合監(jiān)測系統(tǒng)，這無疑將提高煤礦的安全監(jiān)測預(yù)警水平，提高突發(fā)事故應(yīng)急處理能力，促進(jìn)在整個(gè)煤炭工業(yè)中，安全生產(chǎn)監(jiān)控的自動化、智能化和信息化。

一、煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

（一）安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒發(fā)的《煤礦安全監(jiān)測控制系統(tǒng)通用技術(shù)要求》和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地解決現(xiàn)有監(jiān)測和控制系統(tǒng)存在的主要問題，它為煤礦企業(yè)提供了綜合環(huán)境監(jiān)測和人/車定位管理功能的礦井綜合監(jiān)測平臺。本文結(jié)合電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用智能傳感器作為現(xiàn)場檢測設(shè)備，構(gòu)建礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。該系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)測中心站（主機(jī)）、監(jiān)測分站、智能傳感器等測控模塊。在距離較遠(yuǎn)的監(jiān)控中心站與監(jiān)測分站之間采用CAN總線通信方式。CAN（控制器局域網(wǎng)）總線協(xié)議是德國BOSCH公司首先開發(fā)的，用于解決汽車控制部件與測量儀器之間的數(shù)據(jù)交換。它已應(yīng)用于交通、國防、工程等許多領(lǐng)域。CAN是一種多主總線，最長傳輸距離為10km，最大通信速率為1Mbps。由于現(xiàn)有的大部分智能傳感器產(chǎn)品都配備了RS-485總線接口，且沒有配備CAN總線接口，RS-485總線可以在不加中繼器的情況下最長輸送1200米的距離，可以覆蓋一個(gè)巷道或采礦面/掘進(jìn)面。所以，考慮到技術(shù)的可行性和成本的適宜性，在距離與監(jiān)測距離很近能夠采用RS-485總線可用于變電站與智能傳感器之間的通信。傳感器的類型包括氣體（甲烷）濃度、C0濃度、水壓、水位、位移和應(yīng)力、路面、溫度、濕度、風(fēng)速、負(fù)壓等。

（二）安全監(jiān)控技術(shù)的研究

近些年來，我們國家的狂進(jìn)安全監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)取得了快速的發(fā)展，各類技術(shù)裝備在確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，與此同時(shí)也存在一些不足。綜上所述，過去投入運(yùn)行的監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)存在缺陷一般有以下幾點(diǎn)。

（1）井下分站通常使用對井下瓦斯的監(jiān)控，或監(jiān)測環(huán)境安全參數(shù)和設(shè)備的開/停狀態(tài)，包括瓦斯?jié)舛龋约霸S多重要的環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)條件不包括在監(jiān)測監(jiān)控范圍。（2）許多安全監(jiān)控系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)是基于RS-485總線的，傳輸距離和傳輸速度非常有限。根據(jù)煤炭行業(yè)新的標(biāo)準(zhǔn)：井下分站與井下分站間、井下分站與井上主機(jī)接口間的傳輸距離在不加中繼的狀況下不能小于10km，所以，傳統(tǒng)的485總線技術(shù)不能滿足傳輸距離和安裝數(shù)量的要求。（3）大多數(shù)地下車站通常只覆蓋對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測/監(jiān)控，以及生產(chǎn)和運(yùn)行的條件，但在事故發(fā)生后可以指出最佳的救援路線。需要再投資的人/汽車定位監(jiān)測系統(tǒng)用于救援和撤離人員和設(shè)備。由于信息不足，不能保證監(jiān)測和救援工作的有效協(xié)同。

二、提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠性的設(shè)計(jì)

（一）雙CAN冗余硬件設(shè)計(jì)

雙CAN冗余的工作原理就是系統(tǒng)使用兩條完全獨(dú)立的CAN總線，PHY、MAC的全面冗余。一個(gè)作為主CAN，另一個(gè)能夠作為從CAN，二者交替或是同時(shí)工作。初始化時(shí)預(yù)先設(shè)定好主從CAN的優(yōu)先級別。在正常工作中，數(shù)據(jù)通過主CAN發(fā)送。當(dāng)主CAN總線繁忙或錯(cuò)誤時(shí)，它從CAN開始。相反，當(dāng)CAN總線繁忙或故障時(shí)，它切換到主CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高了效率，減少了數(shù)據(jù)丟失。此外，當(dāng)數(shù)據(jù)量非常大且實(shí)時(shí)要求非常高時(shí)，主CAN從也可以同時(shí)被激活以增加總線帶寬。本設(shè)計(jì)采用STM公司的STM32F107VCT6微控制器。其內(nèi)部集成了2個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，因?yàn)榭刂破骷稍谛酒瑑?nèi)部而不是擴(kuò)展，大大減少了外部干擾，提高了通信質(zhì)量，簡化了外圍電路。

（二）雙CAN冗余的可靠性分析與測試

本文對雙CAN冗余技術(shù)進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)測試，假設(shè)每路CAN總線的故障率相同。用指數(shù)分布來描述電子元器件的壽命，采用雙線冗余設(shè)計(jì)使CAN增加了50%的通信故障平均時(shí)間。雙CAN冗余系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是總線交換時(shí)間，它等于檢測錯(cuò)誤所需時(shí)間與處理故障總線未發(fā)送報(bào)文所需時(shí)間之和。切換時(shí)間越短，總線故障對消息傳輸造成的延遲越小。檢測錯(cuò)誤所需的時(shí)間是從總線錯(cuò)誤到冗余程序所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，在125kbps位速率下發(fā)送8字節(jié)長度消息總線的傳輸時(shí)間為2280ms，跟理論計(jì)算值比較接近，但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)送報(bào)文獲取仲裁所需的等待時(shí)間遠(yuǎn)大于切換時(shí)間，總線故障并不頻繁發(fā)生，冗余切換算法對系統(tǒng)的運(yùn)行并無顯著影響。

三、結(jié)語

總之，根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術(shù)提高監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的方法，對于復(fù)雜環(huán)境、傳輸速率低、距離遠(yuǎn)，而且要求實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性很高的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，采用雙CAN技術(shù)是一種非常理想的選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]賀鑫.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析及優(yōu)化研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（04）：91～92.