關(guān)于召開 2024 山西省煤炭學(xué)會(huì)煤礦智能化委員會(huì)年會(huì)暨千人智庫(kù)科創(chuàng)服務(wù)站工作會(huì)的通知

   煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式探討

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘要：井下人員定位考勤管理系統(tǒng)是利用射頻識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)手段開發(fā)的礦用人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具備完善的井下人員定位考勤管理安全監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控等功能，可對(duì)全礦井上、下人員信息參數(shù)及全礦各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、打印，并能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行集中的的監(jiān)控。

建立先進(jìn)的煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)，對(duì)于煤礦的安全生產(chǎn)有著重要的意義；本文介紹了沁新煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式的應(yīng)用技術(shù)，以及在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：煤礦安全監(jiān)控；井下人員定位；通信模式；CAN總線技術(shù)。

  一、數(shù)據(jù)中心站與監(jiān)控主機(jī)之間的通信模式

數(shù)據(jù)中心站作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，是整個(gè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心站點(diǎn)。各個(gè)監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)都需要觀測(cè)數(shù)據(jù)中心站的各種數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)連接，軟件結(jié)構(gòu)采用C/S結(jié)構(gòu)。SQL Serve;是一個(gè)客戶了服務(wù)器關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。在客戶機(jī)了服務(wù)器軟件的概念中，SQL Serv“是后端部分，而客戶端是前端部分。通過客戶端，用戶可以插入、更新、刪除和查詢存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。SQ L S e rve;支持客戶枷服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)管.A系統(tǒng)，其Client端和Server端一般分配在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上，但這并不是必須的，即Client端和Server端可以運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。從客戶端應(yīng)用程序到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件之間的連接是由幾個(gè)軟件相互調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。沁新煤礦人呀定位系統(tǒng)的C/S務(wù)器軟件之間的連接是由幾個(gè)軟件相互調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。在本系統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)中，實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示和分析統(tǒng)計(jì)及用戶交互界面等部分在客戶端，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，完整性控制在服務(wù)器端。在本系統(tǒng)中，由于監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)控任務(wù)必須基于數(shù)據(jù)庫(kù)完成，因此在數(shù)據(jù)中心站設(shè)置了備用服務(wù)器，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)將備用服務(wù)器啟動(dòng)，使監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。在數(shù)據(jù)中心站，Client端和Serve:端在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，其它的Client端計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心站計(jì)算機(jī)Server端連接，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。SQL Serve;具有網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性，它可以和任何操作系統(tǒng)下的客戶端通信，只要該操作系統(tǒng)使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即可。SQLServe;可以很方便地通過Web站點(diǎn)共享數(shù)據(jù)，使用戶通過Web瀏覽器就能直接從SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中訪問數(shù)據(jù)。其實(shí)在許多系統(tǒng)中，前端就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器。用戶需要存取數(shù)據(jù)庫(kù)具體表現(xiàn)為客戶端應(yīng)用程序中的SQL語句，SQL語句經(jīng)過數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器應(yīng)用編程接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到網(wǎng)上，傳輸?shù)椒?wù)器一端，再經(jīng)過服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、連接網(wǎng)絡(luò)軟件傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件，由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件具體執(zhí)行SQL語句，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。從數(shù)據(jù)庫(kù)中取得的結(jié)果將按反方向送回給用戶。由于采用了C/S體系結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖荢QL語句及其執(zhí)行結(jié)構(gòu)。SQL語句從Client傳向Server,其執(zhí)行結(jié)果從Server傳向Client.減少了數(shù)據(jù)流量，提高了效率。

二、數(shù)據(jù)中心站與井下各分站設(shè)備之間的通信模式

我們通過CAN總線將分布在井下的各個(gè)監(jiān)測(cè)分站設(shè)備連接起來，使數(shù)據(jù)中心站能實(shí)時(shí)得到各個(gè)分站監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一處理。CAN總線基于串行通信IS011898標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了物理布線。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。CAN總線的速度比較快，可靠性比較好，價(jià)格比較便宜，其應(yīng)用范圍很廣泛。

1、通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方式

首先我們要分析整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向，井下分布在各個(gè)巷道口的監(jiān)測(cè)分站只與數(shù)據(jù)中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每個(gè)監(jiān)測(cè)分站是相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，相互之間沒有橫向數(shù)據(jù)流。現(xiàn)場(chǎng)總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是開放式的互連網(wǎng)絡(luò)，對(duì)用戶是透明的，不同廠家的設(shè)備可以方便的接入同一網(wǎng)絡(luò)。而傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的產(chǎn)品是不能互相訪問的，伴隨著計(jì)算機(jī)業(yè)的發(fā)展，要想更大限度的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)首選現(xiàn)場(chǎng)總線。Rzl本系統(tǒng)采用了CAN總線。對(duì)于一般的DCS系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)性、可靠性和開放性是基本的要求，并且由于現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于計(jì)算機(jī)較為簡(jiǎn)單，內(nèi)存較小，因此簡(jiǎn)單性也是一個(gè)重要的要求。在本系統(tǒng)的具體應(yīng)用環(huán)境下，可靠性和實(shí)時(shí)性應(yīng)該得到強(qiáng)化。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多的情況下，為了使各種數(shù)控能夠及時(shí)傳送，實(shí)時(shí)性顯得特別重要。為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，也要求系統(tǒng)具有較高的可靠性，而開放性則提供了系統(tǒng)互聯(lián)和擴(kuò)展的方便。通過上述分析，系統(tǒng)采用CAN通訊總線結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。其物理硬件包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元一井下監(jiān)測(cè)分站和監(jiān)控主機(jī)的CAN通信模塊。在監(jiān)控主機(jī)上采用CAN網(wǎng)絡(luò)通信卡。傳輸介質(zhì)為雙絞線，如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗千擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。采用雙絞線通信時(shí)，速率為1M bps/40m ，5Kbps/lOk m，結(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。

圖1煤礦井下人員考勤定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖

圖2全礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

 2、 CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

CA N 網(wǎng)絡(luò) (ControllerA reaN etwork)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN網(wǎng)絡(luò)原本是德國(guó)Boscb公司為歐洲汽車市場(chǎng)所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠地工作，因此CAN總線可廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過程監(jiān)測(cè)和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)控，以解決控制與測(cè)試之間的可靠和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。CA N 協(xié) 議(CANS pecification2 .0P ortA +B)分為3層：目標(biāo)層、傳遞層和物理層，主要對(duì)應(yīng)于ISO (國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的OSI(開放系統(tǒng)互連)7層模型中數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制子層， 以及物理層的物理信號(hào)部分。

目前有三 種CAN通訊協(xié)議，包括CAN1.0,C AN2.OA和CAN2.OB,CAN2.OB是最通用的CAN通訊協(xié)議。CAN的三種通訊協(xié)議間的區(qū)別就是協(xié)議中定義的標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度不同。CAN2.OA 協(xié)議中僅定義了具有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，CAN2.OB協(xié)議中除了定義標(biāo)準(zhǔn)幀外還定義了具有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展。符合CAN2.OB協(xié)議的CAN控制器支持被動(dòng)2.0B或主動(dòng)2.0B。被動(dòng)2.0B控制器忽略擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)信息(CAN2.OA控制器在接收29位標(biāo)識(shí)時(shí)，將產(chǎn)生幀錯(cuò)誤)，主動(dòng)CAN2.OB控制器能夠接收和發(fā)送擴(kuò)展信息幀。發(fā)送和接收兩類信息幀的兼容性準(zhǔn)則歸納表1所示。主動(dòng)CAN2.OB控制器能夠收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的信息幀;CAN2.OB被動(dòng)控制器能夠收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)幀，而忽略擴(kuò)展幀，不引起幀格式錯(cuò)誤;CAN1.0和CAN2.OA在接收擴(kuò)展幀時(shí)，將產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。我們選用符合CAN2.OB協(xié)議的CAN控制器，并采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。標(biāo)準(zhǔn)幀格式(SFF)的標(biāo)識(shí)碼(ID)有II位，標(biāo)識(shí)碼就像是報(bào)文的名字一樣使用在驗(yàn)收濾波器中，而且在仲裁過程中決定了總線訪問的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識(shí)碼的二進(jìn)制值越低優(yōu)先權(quán)越高。通信協(xié)議主要由CAN總線控制器完成。CAN控制器主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和微控制器接口部分電路組成。通過簡(jiǎn)單的連接即可完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)既可以是基于微控制器的智能節(jié)點(diǎn)，也可以是具有CAN接口的1/0器件。

3、基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性

較之目前許多基于RS-485總線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

（1）C A N 控制器工作于多主方式。網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)，有效地避免了總線沖突，使信息和時(shí)間均無損失。CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差。

（2）C AN 總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

（3）C A N具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的.另外，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種己形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。這些也是目前CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要原因。

三、 結(jié)束語

    系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，地面網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，井下網(wǎng)絡(luò)采用本安的數(shù)據(jù)高速公路網(wǎng)絡(luò)，具有較強(qiáng)的接口功能和網(wǎng)絡(luò)功能，為煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息管理現(xiàn)代化提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。煤礦井下人員定位考勤管理系統(tǒng)運(yùn)行后，對(duì)于井下人員的考勤管理、瓦斯巡檢員的跟蹤、井下人員的搜救工作起到了良好的保證，在煤礦安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理中發(fā)揮了重要的作用。

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作者簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用課程教學(xué)研究和計(jì)算機(jī)校園網(wǎng)絡(luò)管理工作。太原 030031