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煤礦井下人員監(jiān)控系統(tǒng)CAN技術研究

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術學院）

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)的通信應用技術，以及在現場中的應用情況，為煤礦企業(yè)選擇、應用井下人員考勤定位系統(tǒng)提供了較好的實踐經驗。

關鍵詞：煤礦井下人員安全監(jiān)控；通信技術；CAN總線技術。

在測控網絡中，設備控制層常用的通信技術有RS-485，現場總線和工業(yè)以太網等。隨著工業(yè)以太網技術的不斷發(fā)展，測控網絡的設備控制層將有可能采用工業(yè)以太網技術來實現。下面分別對這些技術進行論述，并且主要對當前比較流行的現場總線技術與工業(yè)以太網進行比較，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。

1、R S -485

RS -485利用差分方式來傳翰數據，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的拓撲結構為總線型，但是僅實現了物理層協議，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絡功能。采用R S- 485連成的設備網絡中，只能有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。這種主從結構的網絡無法構成多主結構或冗余結構的系統(tǒng)，一旦主節(jié)點出現故障，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 絡中數據通信方式為命令響應型，任何一次數據傳輸都是主節(jié)點首先發(fā)出命令，從節(jié)點接到命令后，以相應的方式傳給主節(jié)點。這使得網絡上的數據傳輸速率降低很多，并且使主節(jié)點控制器非常繁忙。

2、現場總線

現場總線是應用于過程控制現場的一種數字網絡，它不僅包含有過程控制信息交換，而且還包含設備管理信息的交流。通過現場總線，各種智能設備(智能變送器、調節(jié)法、分析儀和分布式拍單元)可以方便地進行數據交換，過程控制策略可以完全在現場設備層次上實現。目前 ， 使 用較多的現場總線主要是CAN現場總線、基金會現場總線(FF,FUNDATION FIEI.DBUS)和PROFIBUS現場總線。

(1)基金會現場總線(FF)

基金 會 現 場總線能適應本質安全防爆的要求，可以通過傳輸數據的總線為現場設備提供工作電源。FF定義了OR模型中的物理層、數據鏈路層、應用層、用戶層。FF的優(yōu)點是配置靈活、協議的功能齊全;其缺點是實現復雜，兼容設備有限，另外其標準化的進程以及被工業(yè)應用接受的進程比較緩慢。

(2) PROFIBUS

PROFIBCS用了OR模型的物理層、數據鏈路層。根據應用的特點，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據，對于每個節(jié)點來說，每個報文最多可包含244字節(jié)的數據。其缺點是傳送的數據少時，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

20 世紀 8 0年代初，德國Bosch公司為了解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換悶魔，開發(fā)了一種串行數據通信協議--CANT. CAN是一種可以有效支持分布式控制系統(tǒng)或實時控制系統(tǒng)的串行通信網絡。由于其性能較好，己經從汽車行業(yè)推廣到其它工業(yè)控制領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據鏈路層，對應用層沒有進行定義。CAN的最大特點是其可靠性高、實時性強、連接方便。CAN的相關產品價格比較低廉，并且CAN協議得到了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，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它最初出現在80年代末的汽車工業(yè)里。起先，CAN總線被設計作為汽車環(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絡。CA N總線的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個，因而傳輸時間短、受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯系，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，網絡上任何節(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據。它采用總線仲裁技術，當出現幾個節(jié)點同時在網絡上傳軸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數據，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 協議描述了在設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。每一層與另一設備上相同的那一層通訊。實際的通訊是發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連。CAN的結構定義了模型的最下面的兩層:數據鏈路層和物理層。應用層通過不同的新興協議層(專門用于特殊的工業(yè)領域加上由個別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，而且能夠檢測出產生的任何錯誤.一個由CAN總線構成的單一網絡中，理論上可以掛接無數個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數目受網絡硬件的電氣特性所限制。例如，當使用PhiilpsP8 2CZ50作為CAN收發(fā)器時，同一網絡中允許掛接110個節(jié)點。CAN可提供高達1Mbit/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。當信號傳輸距離達到1010.時，CAN總線仍可提供高達5kbps的數據傳輸速率。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 技術先進、可靠性高、功能完善的現場總線，CAN已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中。從高速的網絡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。

. 很遠的數據傳輸距離長達(10Km)

. 高速的數據傳輸速率高達(1Mbps)

. 可根據報文的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

下面從通信帶寬等五個方面對工業(yè)以太網與現場總線進行對比。

(1)通 信 帶 寬

以太網的通信速率較高，其標準帶寬為1OMbps，現在又出現了快速以太網(100Mbps)以及千兆以太網。而一般的現場總線的帶寬都沒有超過12Mbps，

表1幾種現場總線的最大帶寬(單位：bps)

表1列出了常用的幾種現場總線的最大帶寬。從帶寬角度講，以太網較現場總線有一定的優(yōu)勢。但是，在一般的工業(yè)控制現場，對通信速率的要求并不是很高，CAN現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完成發(fā)送，于是造成沖突發(fā)生卻檢側不到的現象，導致通信無法正常進行。為了避免產生這種現象，必須對最短技長度進行限翻。因此 ，采用以太網來傳輸短報文，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 場，數據必須在確定的時間內到達目的站點。對于信道的訪問，以太網采用CSMA/CD協議，這種協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用場合，報文的延遲將會造成嚴重后果。而現場總線技術的傳輸是確定性的，可以預知報文何時到達目的站點。

(4)對工業(yè)現場的適應性

以太網在總線上沒有電源，連接器脆弱。與大多數現場總線相比，以太網更容易受電磁干擾以及射頻千擾。

(5)現場設備的支持

目前，支持以太網的現場設備有限，少量支持以太網的設備價格昂貴，導致整個工程的成本過高。而對于現場總線技術而言，支持的廠家較多，現場設備選擇的余地較大，另外，價格比較低廉。從上述比較可以看出，現場總線技術有諸多優(yōu)點，CAN現場總線技術更是在成本、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現場總線作為現場設備控制層的通信總線較為實用。使用現場總線帶來的好處：

節(jié)省硬件成本；

設計 、組態(tài)、安裝以及調試簡便；

系統(tǒng)維護、設備更換和系統(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、設備選型有最大的自主權；

完善了企業(yè)信息系統(tǒng)，為實現企業(yè)綜合自動化提供了基礎。

參考文獻：

1. 呂潔.射頻識別技術RFID及其應用，智能建筑與城市信息，2004. No.97(12)

   2．陽憲惠.現場總線技術及應用[M1 北京:清華大學出版社.2003

   3 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M],北京：北京航空航夭大學出版社 出版：2003.

    

   作者簡介：劉西青（1966-），女，北京市人，太原科技大學畢業(yè)，工程師、講師，從事煤礦計算機網絡應用課程教學研究和計算機校園網絡管理工作。太原 030031