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：建立先進的煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)，對于煤礦的安全生產(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)提供了較好的實踐經(jīng)驗。
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)來實現(xiàn)。下面分別對這些技術(shù)進行論述，并且主要對當(dāng)前比較流行的現(xiàn)場總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)進行比較，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IOMb/s(距離上限為10m)，通信距離可達1.2km(速率上限為.OOkb/s). RS-485的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，但是僅實現(xiàn)了物理層協(xié)議，對于鏈路層沒有定義，缺乏總線仲裁、出錯校驗、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，只能有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。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)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對主節(jié)點的可靠性要求很高。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)點首先發(fā)出命令，從節(jié)點接到命令后，以相應(yīng)的方式傳給主節(jié)點。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)點控制器非常繁忙。
2、現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線是應(yīng)用于過程控制現(xiàn)場的一種數(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)可以方便地進行數(shù)據(jù)交換，過程控制策略可以完全在現(xiàn)場設(shè)備層次上實現(xiàn)。目前 ， 使 用較多的現(xiàn)場總線主要是CAN現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線(FF,FUNDATION FIEI.DBUS)和PROFIBUS現(xiàn)場總線。
(1)基金會現(xiàn)場總線(FF)
基金 會 現(xiàn) 場總線能適應(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)點是配置靈活、協(xié)議的功能齊全;其缺點是實現(xiàn)復(fù)雜，兼容設(shè)備有限，另外其標準化的進程以及被工業(yè)應(yīng)用接受的進程比較緩慢。
(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，PROFIBU有三個兼容版本:PROFIBUS-DP. PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-PA.PROFIBUS的優(yōu)點是能夠高速處理大量的數(shù)據(jù)，對于每個節(jié)點來說，每個報文最多可包含244字節(jié)的數(shù)據(jù)。其缺點是傳送的數(shù)據(jù)少時，額外開銷大，因為每個報文均有12個字節(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 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)域成為一種事實上的工業(yè)標準。CA N定 義 了OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對應(yīng)用層沒有進行定義。CAN的最大特點是其可靠性高、實時性強、連接方便。CAN的相關(guān)產(chǎn)品價格比較低廉，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總線的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短、受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點極其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力和檢錯能力。CA N總線 支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點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)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳軸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(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：
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)計規(guī)范要求，有高的位速率，高抗電磁千擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤.一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(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，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。當(dāng)信號傳輸距離達到1010.時，CAN總線仍可提供高達5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。作為 一 種 技術(shù)先進、可靠性高、功能完善的現(xiàn)場總線，CAN已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中。從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價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。
. 很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離長達(10Km)
. 高速的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(1Mbps)
. 可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文
. 可靠的錯誤處理和檢錯機制
. 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)
. 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能
. 報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息
3 、工業(yè)以太網(wǎng)
下面從通信帶寬等五個方面對工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線進行對比。
(1)通 信 帶 寬
以太網(wǎng)的通信速率較高，其標準帶寬為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)場總線的帶寬都沒有超過12Mbps，
表1幾種現(xiàn)場總線的最大帶寬(單位：bps)
|
現(xiàn)場總線 |
PROFIBUS |
FF |
Ionworks |
HART |
CAN |
|
最大帶寬 |
12M |
2.5M |
1.5M |
1.2M |
1M |
表1列出了常用的幾種現(xiàn)場總線的最大帶寬。從帶寬角度講，以太網(wǎng)較現(xiàn)場總線有一定的優(yōu)勢。但是，在一般的工業(yè)控制現(xiàn)場，對通信速率的要求并不是很高，CAN現(xiàn)場總線的通信速率可以滿足要求。
(2)傳輸短報文時帶寬利用率
在實際的工業(yè)現(xiàn)場，一般站點之間的通信以交換短報文(由幾個字節(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，帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問)}}議。當(dāng)一個站點發(fā)送短幀時，有可能第一個尚未到達電纜的最遠端就已經(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)致通信無法正常進行。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，必須對最短技長度進行限翻。因此 ，采用以太網(wǎng)來傳輸短報文，造成了很大的帶寬浪費。使其用于傳輸有用信息的速率大打折扣。
(3)實時性
在工 業(yè) 現(xiàn) 場，數(shù)據(jù)必須在確定的時間內(nèi)到達目的站點。對于信道的訪問，以太網(wǎng)采用CSMA/CD協(xié)議，這種協(xié)議不能確保報文何時到達目的站點。在一些對時間敏感的應(yīng)用場合，報文的延遲將會造成嚴重后果。而現(xiàn)場總線技術(shù)的傳輸是確定性的，可以預(yù)知報文何時到達目的站點。
(4)對工業(yè)現(xiàn)場的適應(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)場設(shè)備的支持
目前，支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場設(shè)備有限，少量支持以太網(wǎng)的設(shè)備價格昂貴，導(dǎo)致整個工程的成本過高。而對于現(xiàn)場總線技術(shù)而言，支持的廠家較多，現(xiàn)場設(shè)備選擇的余地較大，另外，價格比較低廉。從上述比較可以看出，現(xiàn)場總線技術(shù)有諸多優(yōu)點，CAN現(xiàn)場總線技術(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)場總線作為現(xiàn)場設(shè)備控制層的通信總線較為實用。使用現(xiàn)場總線帶來的好處：
節(jié)省硬件成本；
設(shè)計 、組態(tài)、安裝以及調(diào)試簡便；
系統(tǒng)維護、設(shè)備更換和系統(tǒng)擴充方便；
系統(tǒng)的安全、可靠性好，減少故障停機時間；
用戶對系統(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)，為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化提供了基礎(chǔ)。
參考文獻：
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2．陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用[M1 北京:清華大學(xué)出版社.2003
3 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線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，從事煤礦計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程教學(xué)研究和計算機校園網(wǎng)絡(luò)管理工作。太原 030031
