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现场总线CAN-bus在煤矿通讯中的应用 |
| 1. 现场总线CAN-bus 在煤矿通讯中的优势 煤矿生产是与国计民生密切相关的一个领域。其中，煤矿安全无疑是大家关注的热点之一，不仅对社会经济有影响，更关系到每个矿业人员的生命安全。煤矿系统中原先的各类独立设备已经不能够满足现代化煤矿生产的需求；组建一个技术先进的煤矿通讯网络，对煤矿的工作人员、现场环境参数进行监测、控制，形成一个能够满足地域化控制、符合煤矿安全要求的煤矿数据/信息管理系统，这已经是煤矿行业的发展大趋势。 煤矿企业内部通过煤矿通讯网络传输各类现场数据；通常传输的是来往于各个现场设备之间的控制类数据，一般都属于小流量、实时数据。 煤矿通讯主要涉及以下两个方面的应用： 按国家对煤矿企业中现场通讯设备的参数要求，目前在煤矿行业中可运行的常见通讯方式有串行通讯RS-485、现场总线CAN-bus、调制解调Modem、无线通讯等几种方式。本文将对比这几种通讯方式，并结合实际项目的运行经验，从而汇总一些煤矿行业应用现代化通讯的特点、优势，并且介绍现场总线CAN-bus 的主要优势。 1、串行通讯RS-485 国际EIA 协会在1983 年制定了RS-485 标准，这是一个串行通讯的电气标准。与第一代的RS-422 标准相比，RS-485 标准支持多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 RS-485 标准是一种实现成本较低的多点网络通讯方式，通用RS-485 收发器的价格低于10 元/个；RS-485 网络是最常见到的通讯方式之一，单一网络能够连接32 个节点，通讯距离够达到1200 米；RS-485 设备可以基于普通单片机UART 端口进行开发，电路设计简单。在工业自动化设备、分布式数据采集、楼宇安防、早期的煤矿网络等领域，RS-485 设备是最常见到的通讯设备之一。 RS-485 标准也有许多不足，尤其是在比较复杂的网络结构中，RS-485 难以保障数据的实时性、网络的可靠性。最新的行业标准中，要求煤矿设备能够在不加辅助网桥的情况下，连接长达4Km 的网络，这也是RS-485 标准难以逾越的技术鸿沟。因此，RS-485 标准在煤矿行业出现的机会将越来越少。 2、调制解调Modem 调制解调（MODEM）即利用模拟信号传输线路来传输数字信号。调制的过程，即发送方将数字信号“翻译”成模拟信号，才可以通过模拟信号传输线路进行远程传输；解调的过程，即将来自模拟传输线路的模拟信号“翻译”回数字信号，供接收方阅读并处理。最常见的产品，如PC 机调制解调器，利用电话线路实现电脑上网。 调制解调方式能够实现远距离的数据通讯；但是，构建多点网络的不便利，以及相对较高的设备硬件成本限制了调制解调方式在煤矿行业的应用。 3、无线通讯 无线通讯ZigBee，符合IEEE 802.15.4 标准，是一种短距离的高频无线通讯标准，具有低成本、低耗电、双向传输、高可靠度、自动感应网络功能等特性。 ZigBee 技术是近几年才发展起来的新技术，主要应用在监测、控制与自动化等市场。由于目前ZigBee 产品的开发成本较高，且只适合短距离、小范围内通讯；虽然已在煤矿行业有了一些研究性质的探索与应用，但主要集中在人员考勤与RFID 识别类产品，属于小范围现场网络，并不真正能够满足煤矿行业较多设备联网的应用。 与ZigBee 的应用相类似，已在煤矿行业进入批量应用的无线通讯还有433Mz 的nRF无线数传技术，但也属于短距离无线数据通讯，主要被用在人员考勤与RFID 识别上。 4、现场总线CAN-bus CAN-bus（Controller Area Network）总线最早由德国Bosch 公司提出，主要用于汽车内部单元与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，被广泛应用于其他领域中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。 现场总线CAN-bus 的特点： 1、国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高； 现场总线CAN-bus 在网络开放性、通讯可靠性、网络通讯距离、网络节点数目、数据传输实时性、系统设计成本等方面都具有强大的优势。因此，当CAN-bus 应用于煤矿通讯系统时，立即获得了广大设备用户的认可，成为煤矿行业中首选的设备通讯网络。通过由CAN-bus 构建的煤矿现场设备网络，管理者和主控设备能即时地了解、处理当前的矿井情况，发觉事故隐患，避免危机的发生。 同时，基于开放的现场总线CAN-bus 技术，构建煤矿行业的通讯网络，或开发特定功能的通讯设备，都已经不会存在技术上的门槛。而且，现场总线CAN-bus 本身是符合本质安全要求的。 5、CAN-bus 与RS-485 比较 与通常应用的RS-485 标准相比，现场总线CAN-bus 具有更多方面的优势，可以完全取代RS-485 网络，从而组建一个具有高可靠性、远距离、多节点、多主方式的设备通讯网络。同时，现场总线CAN-bus 可以直接使用RS-485 标准相同的传输电缆、拓扑结构，方便原有设计资源的系统升级。 将CAN-bus 总线与RS-485 标准的特性进行比较，区别如表格 1 所示： 表格 1 CAN-bus 总线与 RS-485 标准的特性比较  通过对节点设备的通讯电路部分设计升级，可以方便地将原有RS-485 网络建设成先进的现场总线CAN-bus 网络，甚至不需要改动原RS-485 有网络的布线、拓扑、运行软件。 同样，也可以不改动原有RS-485 网络的节点设备，只需要增加一些网关转换器，即可将将RS-485 网络升级成CAN-bus 网络。例如，需要增加的转换器有CAN485MB 协议转换器、CAN232MB 协议转换器、CSM100 嵌入式通讯模块等。升级改造成功后的CAN-bus 网络可以采用更先进的管理方式，比如组态管理、多主管理，有效提高网络的数据传输效率，保障数据传输的可靠性。 2. 煤矿通讯中使用CAN-bus 的技术要素 煤矿行业的生产运行设备都需要遵照国家规定的煤矿行业设备标准；煤矿通讯网络也属于同一类型的设备，额定参数必须符合相关的技术标准。 1、 本质安全 什么是本质安全？在石油、化工等过程测量与自动化控制系统中，可能出现潜在的爆炸性环境，在实践应用中设计人员必须对系统中的现场设备及其相关设备采取相应的防爆措施。随着电气设备防爆技术的不断进步和发展，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆（Ex d）、增安（Ex e）、本质安全（Ex i）、正压（Ex p）、浇封（Ex m）和无火花（Ex n）型等。在众多的防爆技术中，本质安全（以下简称本安）防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测量和带电维护等优点，同时它也能用于0 区危险场所。因此在低压、低功率电气设备、仪器仪表等领域内，它是首选的防爆技术。然而由于本安防爆实质上是系统防爆，其防爆性能不仅与关联设备有关，而且也与相应设备有关。 煤矿行业的通讯设备必须符合《GB3836 爆炸性气体环境用设备》标准，我们也简称为“煤安”标准。 现场总线CAN-bus 的传输介质可以是双绞线，同一网络可以连接110 个设备；通讯报文以差分信号的形式进行传输。常用CAN-bus 收发器的电压、电流参数见表格 2 所示。 表格 2 各型号CAN 收发器的最大电源电流  煤矿行业中，构建CAN-bus 网络的常用CAN-bus 设备的功耗指标见表格 3 所示。 表格 3 各型号CAN 设备的最大电源电流  由上述两表列出的参数可见，基于现场总线CAN-bus 的设备一般都可以长期安全运行在防护要求很高的煤矿行业爆炸性气体环境中。 2、通讯距离 煤矿行业的通讯网络涉及矿上通讯、井下矿道通讯；其中，井下矿道通讯是重点。一个中小型煤矿的通讯网络，井下矿道通讯可能需要达到20 公里，甚至有更远的距离。 现场总线技术中，通讯距离与通讯速率密切相关。通常，当通讯速率为5Kbps 时，CAN-bus 网络可以达到10Km 的通讯距离；安装1 个CANbridge 网桥，即可以延长1 倍的通讯距离，并可增加连接1 倍的CAN-bus 节点数目。 煤矿行业建立CAN-bus 网络时，根据现场的通讯距离、数据流量等需求参数，一般可选择的通讯速率有 5Kbps、10Kbps、20Kbps 等标准波特率；特殊场合可以选择2.5Kbps 的通讯速率，以获得更远的通讯距离。CANbridge 网桥、CANET-E 网关都可以支持2.5Kbps的通讯速率。 通讯电缆的合理选择，对CAN-bus 网络的通讯距离也有非常重要的影响。通常选择矿用阻燃电缆作为CAN-bus 网络的传输介质，参数：双绞线，直径1.5mm2，电阻12.1Ω/Km，电感800mH/Km，电容0.06uF/Km。符合该参数的矿用阻燃电缆可以在5Kbps 达到6～7Km的通讯距离。 3、网络布线 煤矿行业的矿井结构比较复杂，一般都存在较多的分支巷道，多为树形结构或者鱼刺形结构。通常的CAN-bus 总线型拓扑结构并不适合矿井内的通讯布线；但是，通过在合适位置安装CANbridge 网桥，从而改变整个网络的拓扑方式，形成树形拓扑或星形拓扑，既方便施工与布线，节省电缆成本，又可以提高通讯效率，增加网络整体连接设备的能力。 图 1 是一个煤矿井下矿道的CAN-bus 网络布线实例，说明了CANbridge 网桥在井下矿道的应用，以及如何合理地改变CAN-bus 总线的拓扑结构。  图 1 网桥CANbridge 的应用实例 终端电阻的连接也是CAN-bus 网络布线中必须注意的要点。主干线的最远两端必须各连接一个120Ω 的终端电阻，对于主干线上的其它任何设备不用接终端电阻；对于连接到CANbridge 网桥的CAN-bus 分支线网络，同样要在最远两端必须各接一个120Ω 的终端电阻。关于拓扑结构的知识，可以参考文档《网桥CANbrige 在煤矿通讯井下网络中的应用》。 3. 煤矿通讯的CAN-bus 应用实例 目前，煤矿行业的通讯网络主要用于实现两个方面的功能：考勤和巡检系统、作业现场环境监测系统。下面将介绍一些已经成功投入运行的应用实例。 1、 考勤和巡检系统 井下监控系统实现对煤矿井下的目标监测/跟踪自动化、信息化管理。通过对煤矿井道内远距离移动目标进行非接触式的信息采集处理，实现对井下人员的考勤，以及井下的人员、车辆、物料在不同状态下的自动识别。 近年来，RFID 识别已经成为煤矿行业中人员考勤与巡检系统的主流技术。当带有个人信息的RFID 卡进入RFID 读卡器的识别范围之后，RFID 读卡器将读取RFID 卡片信息，再将卡片信息通过CAN-bus 网络传输到数据处理中心。 RFID 读卡器的识别范围容易受外部环境影响，识别距离在几十米以内。需要合理地设置RFID 读卡器的间距，一般应用中，每间隔50m 的矿道就安装一个RFID 读卡器。 RFID 读卡器集成有UART 接口，可以通过扩展CSM100 嵌入式UARTCAN 芯片，构成1 个具有CAN-bus 通讯接口的RFID 读卡器，通过CAN-bus 网络传输RFID 卡信息。  图 2 采用CSM100 模块建立CAN-bus 通讯网络  图 3 RFID 读卡器、RFID 电子标签 2、 安全参数检测 煤矿矿井内中需要检测的各种环境参数有：温度湿度、气体浓度、粉尘浓度、电力设备参数、运行机构参数等。 煤矿矿井内作业现场的各种环境参数，通过安装在各控制点的监测传感器，转换成通常的4～20mA 电流环信号，然后通过信号电缆集中传送到环境参数采样设备；每一个环境参数采样设备都可以连接多达8 路的4～20mA 电流环信号。使用4～20mA 电流环信号，传输距离可达数百米，最远可以达到2 公里。监测传感器、传输电缆、采样设备等多个因素共同决定了环境参数模拟信号的采样精度。 环境参数采样设备连接到CAN-bus 网络可以有以下几种方式： ●集成CAN-bus 通讯电路的采样设备直接连接到CAN-bus 网络，设备地址、通讯速率等参数通过外部的拨码地址开关设定，方便现场调节； ●集成RS-232 通讯电路的采样设备通过CAN232MB 转换器连接到CAN-bus 网络，采用透明转换方式，需要事先人工设定RS-232 通讯速率、CAN-bus 通讯速率，还可以增设唯一的设备单元地址； ●集成RS-485 通讯电路的采样设备通过CAN485MB 转换器连接到CAN-bus 网络，采用透明转换方式，需要事先人工设定RS-485 通讯速率、CAN-bus 通讯速率，还可以增设唯一的设备单元地址； 煤矿矿井内的所有环境参数采样设备都连接到同一个CAN-bus 网络，并通过同一级网的CAN-bus 网桥（采用光纤通讯或双绞线通讯介质，用于延长通讯距离）、上一级网的CANET-E 网关（用于转换成以太网Ethernet 数据），连接到煤矿井上的主控PC 机。  图 4 基于CAN-bus 的环境参数监测系统 4. 煤矿通讯中的CAN-bus 发展趋势 现场总线CAN-bus 是一个开放的标准，也是最早获得市场认可的国际标准之一；几乎所有的国际半导体公司都提供有开发CAN-bus 产品的支持。只需简单地约定网络应用层的通讯协议，所有基于CAN-bus 总线的节点设备能够方便地互连互通，形成多种设备相互通讯的数据网络。因此，基于现场总线CAN-bus 标准，煤矿通讯网络中的考勤与巡检设备、安全参数检测设备可以共存于同一个现场总线CAN-bus 网络之中，也可以为未来新增加的设备提供一个标准的通讯接口。 利用现场总线CAN-bus，可以非常方便地构建起煤矿行业的井下通讯主干网络。同时，作为现场总线CAN-bus 网络的一个设备节点，CANET-E 网关可以与以太网Ethernet 实现互连互通，从而将现场总线CAN-bus 接入无处不在的Internet 网络，实现数十公里以外，乃至整个地区的运行数据采集、管理，满足煤矿行业现场数据的现代化管理要求。同理，井下的CAN-bus 设备节点可以与Wireless 网络实现互连互通，从而构成小范围的无线数据采集（主要是RFID 采集）网络。由此看来，煤矿行业的CAN-bus 网络正朝着三层网络的方向发展，结构如图 5 所示。  图 5 煤矿行业的三层网络架构 采用光纤通讯的CAN-bus 网络也是煤矿行业通讯网络的一个发展趋势。与传统的双绞线传输方式相比，光纤的低传输损耗使传输距离大为增加，更适应煤矿行业中一些远距离传输的需求。另外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响，有着优良的抗EMI 以及EMC 特性，也不会存在因线路感应耦合导致的安全问题。光纤通讯方式、双绞线通讯方式的两种CAN-bus 网络将并存于煤矿行业中。 |