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基于CAN总线的矿井分布式SCADA监控系统
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摘 要：提出了一种基于Control Area Network(CAN)总线技术的矿井自动化综合调度网络。即利用CAN总线结构简单、连接方便、数据可靠性高、通信实时性强、节点设置不受限制、通信介质无特殊要求以及易实现多主结构的特点，将矿井各生产、运输、环境检测等各个环节构成一个有机的Supervisory Control and Data Acquisition （SCADA）网络，并在地面调度中心实现集中监控，使部分控制站点实现无人值守，有效克服了目前矿井各环节的“信息孤岛”现象。该总线系统节点由PC机和PLC构成。各节点通过智能网络适配器连接到CAN总线上，从而实现了网络数据及时、准确、可靠的传递。同时，提出了CAN总线技术在煤矿使用中需要解决的几个问题及解决方案，并给出了应用实例。
关键词：煤矿自动化 CAN总线 监控 SCADA系统
0 引言
矿井生产包括开采、掘进、运输、通风、安全、排水、供电、洗选等多个环节。在这些环节中，各种监测、监控系统繁多复杂。在我国，目前这些监测、监控系统基本都处于相互独立的状态，各种系统自成体系，信息不能互通，造成通信线路重复投资，重复建设，不仅系统维护量增大，而且整体可靠性差，维修、维护非常困难[1]。由于信息不能综合利用，所以很难从系统工程的角度来整体对矿山进行统一的自动化管理，形成了“信息孤岛”现象，难以有效地整合各种资源和发挥自动化集成的最大效益。已经成为我国煤矿企业建设高效集约化矿井、减员提效必须解决的问题之一。
1 矿井SCADA系统现状和发展趋势
我国的煤炭行业自动化技术与目前机械、电子领域高新技术的发展很不协调，主要表现在以下几个方面：
·局部项目多，缺乏总体规划、协调。企业大都实现条块式的局部自动化工程，如洗煤集控、运输系统监控、安全系统监测及主要设备的单机自动化，没有从生产过程的运行效率去整体规划，各“独立岛”间在信息管理上还依靠管理人员的介入。
·信息化项目形象工程多，实用少，信息化与自动化脱钩。由于缺乏真实、实时的原始数据，信息化还停留在计算机文件管理、报表统计的基础上，远不能实现设备在线管理、外运指导生产计划、辅助决策等目的。
·自动化项目监测多、控制少。出于可靠性考虑，以及对网络控制技术认知的局限，许多企业乃至许多研究人员更多地将自动化网络技术应用在煤矿监测方面，对于网络控制技术的应用，更多的处于观望状态。
Supervisory Control and Data Acquisition
(SCADA)技术又称为计算机四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）技术，是建立在3C+S（Computer/Communication/Control/Sensor）基础上，集监控及数据采集为一体的自动化系统，在现代工业领域已经得到了较快的发展。SCADA系统以集成化的网络技术为基础，结合自动化、网络、通讯、数据库、信息系统等领域的新理论和新技术，将生产调度自动化、管理系统信息化的各项应用统一在一个网络平台上。为适应工程规模不断扩大的需要，SCADA系统在长距离网络化通信技术中扮演越来越重要的作用。在煤矿这一特殊的工业领域，为可靠地协调矿井各生产单元的正常运作，实现准确及时调节各复杂控制对象的要求，SCADA系统无疑是最合适的选择。它对煤矿企业的高产、高效、安全、优质、减人提效等方面必将发挥强大的促进作用。
上世纪80年代兴起的现场总线（Field Bus）是工业监控领域的一场技术革命，它用多节点，双向数字传输的通信网替代传统的分布式监控系统DCS（Distributed Control System）中的传输电缆，大大降低了传输电缆用量和系统成本，提高了系统的可靠性，便于用户使用和维护，得到了工业监控领域生产商，研究机构和现场的认可。它以总线为核心，集计算机技术、控制技术及通信技术为一体，有着DCS系统无法比拟的优越性。现场总线的特点非常适合众多分布式设备节点的集中监控，对于煤矿这样一个复杂的系统要实现集中监控，现场总线技术应该是比较理想的选择，也是矿井自动化领域发展的趋势之一。
在此，作者提出了一种基于现场总线中的CAN总线技术的SCADA系统的实现思路，供各位同仁参考。
2 CAN总线技术的特点及工作原理
控制器局域网络CAN（Control Area Network）总线是德国Bosch公司80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换而提出的一种串行通信协议。随着技术的发展，它作为现场总线已广泛应用于各行各业的工业现场，它使分布于不同地点的各个监控设备之间的数据交换显得更为灵活和直接。
2.1 CAN总线的特点
CAN是一种全分散、智能化、多点互联的双向串行数字通信网络，其特点是，①传输介质无特殊要求，可以用双绞线、同轴电缆或光纤；②工作方式灵活，可以主从、无主或多主方式工作，由软件程序灵活设定；③信息以广播方式发布，每个节点发送到总线上的报文可同时供所有节点接收；④信息以报文方式传递，淡化了节点地址的概念，节点的增加或摘除不会对系统运行产生影响；⑤使用非破坏性的总线仲裁技术解决总线竞争，通过预置消息优先级和自动退让的方式解决总线冲突；⑥传输速率达 1Mbps，最远距离可达10km。[2][3]
2.2 CAN总线的基本工作原理
CAN总线的拓扑结构如图1所示，是一个典型的串行总线的结构形式。
图1 CAN总线拓扑结构
CAN以全双工的方式工作，支持基于数据的消息包交换方式，当以无主或多主方式工作时，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向总线发送信息。
3 CAN总线在矿井应用中关键技术的实现
CAN总线的特性极大地方便了工业现场SCADA系统的组网实现，但其本身是一种非防爆性质的现场总线，不可能直接使用于煤矿井下，因此，还必须从电气防爆、网络结构及远距离通信等方面采取一些措施。
3.1网络结构
井下网络以2级较为适宜，即一级高速主干控制网下接一级设备级总线网。考虑到矿井的特点，网络拓扑采用总线型，传输介质以屏蔽双绞线为宜，加分支器可构成树型网络。
3.2传输距离
根据矿井巷道要求，任意两个节点之间的传输距离应达到10km以上。在距离不能满足要求时，可以使用如图2所示基于“转储－重发”原理的信号中继器。中继器由成对布置的CAN总线控制器（82C200）和CAN总线驱动器（82C250）以及用于双向数据协调、暂存的微处理器组成。
图2 信号中继器
3.3 防爆特性
总线结构应满足防爆和本质安全要求。以往的论文中有记录使用统一供电法为总线各节点传输设备供电的技术，即用一个本安电源为总线上的所有节点的总线驱动电路供电。受本安电源本身防爆技术指标的限制，电源容量不可能很大，因此所带节点数受到很大制约，并且电源故障将造成其所带节点的全线瘫痪，影响了工作的可靠性。在此，提出节点单独供电的方法，即每个节点单独为各自的信号传输回路提供本安电源。这样尽管加大了电源成本，但却大大提高了可靠性，每个电源的故障只影响本节点的工作而不会进一步扩大。结构示意图3所示：
图3 节点单独供电示意图
4 基于CAN总线的矿井SCADA系统
4.1 系统结构模型
矿井SCADA系统结构如图4所示。
图4 矿井SCADA系统结构
系统结构由两层构成，即控制层和设备层。控制层由各类功能节点组成，利用CAN总线技术实现各设备节点的信息互连。控制层网可以根据需要分为主干网和若干子网，以解决局部较为集中的设备节点控制问题，如综采工作面设备等。对于一些较为重要的环节，如环境安全、煤炭运输等设备节点，一般直接挂在主干网上。对于节点间超过10km的控制网络，采用中继器进行信号延伸。设备层是处于网络控制层底层的智能信息处理单元，由智能传感器、执行机构等组成，完成所控设备的数据采集，用于底层设备的低成本、高效率信息集成，达到减小费用和方便安装的功效。
4.2 系统构成
按节点类型分，本SCADA系统由以下几部分组成：
● 主控制节点。该节点位于地面调度室，负责整个生产监控系统的协调工作，根据情况，向其他所有节点传送人为指令，并接收汇总各节点信息。
● 环境安全监控节点。该节点包括瓦斯监测节点、给排水节点、通风机节点和电网供配电节点，由于涉及井下工人的生命安全，这些节点数据具有较高的优先级，一旦发生紧急情况，节点本身可以自主采取应急措施，起动备用设备，同时向总线发送紧急状态警报。这些节点施行无人值守，全自动运行。
● 生产设备监测节点。主要分布在生产现场，如采煤、掘进工作面，由于设备随时处于移动状态，所以对这些节点只实现总线监测功能，不施行远程集中控制。
● 运输监控节点。主要包括各类输胶带，这类节点施行地面集中监控，无专人值守。
● 总线监听节点。由于煤矿井下环境恶劣，任何节点都有可能发生故障而与总线中断联系。监听节点主要负责总线上各类功能节点与总线联系正常与否的巡回监测，并形成监测报告随时向总线公布。
4.3 各节点的软硬件配置
调度室中心控制节点采用PC机实现，PC机通过RS232/CAN适配器接入CAN总线网络。调度室同时应设有打印设备和大屏幕显示设备，以及报警设备，以利于对总线各节点的监视和故障分析。软件部分采用结构化BASIC语言Visual Basic 提供的通信控件Mscomm实现。
其余各现场节点采用可编程序控制器（PLC）实现，对于带有CAN接口协议的PLC可以直接接入网络，此处采用西门子S7200系列PLC，由于它只带有RS485接口，所以必须通过相应的RS485/CAN适配器，接入CAN总线网络。
4.4 实例分析
煤矿监控网络是一个非常复杂的网络，限于篇幅，文中不可能将所有节点的监控功能都加以实现，在此仅以地面调度中心对两条主胶带机的远程起停监控为例，简要说明如何利用现场CAN总线技术和PLC可编程序控制器技术实现本网络监控功能的过程。局部网络示意图如图5所示
两条主胶带机的起动和停止必须有严格的顺序，以防止煤炭的堆积而造成事故。即2号胶带的起动必须以1号胶带的起动为条件；1号胶带的停止必须以2号胶带的停止为先决条件。
图5 基于CAN总线的皮带监控示意图
两条胶带起停的互相闭锁，可以在硬件上实现，即互串常开（或常闭）节点的方式，但由于两条胶带电控相距近3km，实现起来有许多困难，而且不可靠。闭锁也可以在PC机控制程序中加以实现，在可靠性较高的情况下，此方法最为方便，但是如果PC机节点出现故障，将有可能引起胶带失控的现象。图6为两条胶带起停程序框图。
可见，在这里充分利用了CAN总线多主节点的特点，利用两条主胶带节点之间的互相信息交流，解决了闭锁问题，而且可靠性很高。此举在多条胶带的互锁起停时优点更为明显。
胶带1起动 胶带2起动
胶带2停止 胶带1停止
图6两条胶带的起停过程框图
5 总结
以CAN总线技术为基础构成的矿井SCADA调度网络，为煤矿井下各个复杂的环节进行安全有序监控提供了一条最为便捷的途径。利用基于TCP/IP协议的以太网技术将本SCADA调度网络与煤矿地面其他各生产、管理环节进行有效组合，使煤矿企业的综合信息化管理成为可能，是一项值得在煤矿系统广泛推广的实用技术。这种技术对提高我国煤矿企业的全员生产效率，促进以信息化推动工业化发展，以及增强加入WTO后我国煤矿企业的国际竞争地位必将发挥巨大的作用。
关键词：煤矿自动化 CAN总线 监控 SCADA系统
0 引言
矿井生产包括开采、掘进、运输、通风、安全、排水、供电、洗选等多个环节。在这些环节中，各种监测、监控系统繁多复杂。在我国，目前这些监测、监控系统基本都处于相互独立的状态，各种系统自成体系，信息不能互通，造成通信线路重复投资，重复建设，不仅系统维护量增大，而且整体可靠性差，维修、维护非常困难[1]。由于信息不能综合利用，所以很难从系统工程的角度来整体对矿山进行统一的自动化管理，形成了“信息孤岛”现象，难以有效地整合各种资源和发挥自动化集成的最大效益。已经成为我国煤矿企业建设高效集约化矿井、减员提效必须解决的问题之一。
1 矿井SCADA系统现状和发展趋势
我国的煤炭行业自动化技术与目前机械、电子领域高新技术的发展很不协调，主要表现在以下几个方面：
·局部项目多，缺乏总体规划、协调。企业大都实现条块式的局部自动化工程，如洗煤集控、运输系统监控、安全系统监测及主要设备的单机自动化，没有从生产过程的运行效率去整体规划，各“独立岛”间在信息管理上还依靠管理人员的介入。
·信息化项目形象工程多，实用少，信息化与自动化脱钩。由于缺乏真实、实时的原始数据，信息化还停留在计算机文件管理、报表统计的基础上，远不能实现设备在线管理、外运指导生产计划、辅助决策等目的。
·自动化项目监测多、控制少。出于可靠性考虑，以及对网络控制技术认知的局限，许多企业乃至许多研究人员更多地将自动化网络技术应用在煤矿监测方面，对于网络控制技术的应用，更多的处于观望状态。
Supervisory Control and Data Acquisition
(SCADA)技术又称为计算机四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）技术，是建立在3C+S（Computer/Communication/Control/Sensor）基础上，集监控及数据采集为一体的自动化系统，在现代工业领域已经得到了较快的发展。SCADA系统以集成化的网络技术为基础，结合自动化、网络、通讯、数据库、信息系统等领域的新理论和新技术，将生产调度自动化、管理系统信息化的各项应用统一在一个网络平台上。为适应工程规模不断扩大的需要，SCADA系统在长距离网络化通信技术中扮演越来越重要的作用。在煤矿这一特殊的工业领域，为可靠地协调矿井各生产单元的正常运作，实现准确及时调节各复杂控制对象的要求，SCADA系统无疑是最合适的选择。它对煤矿企业的高产、高效、安全、优质、减人提效等方面必将发挥强大的促进作用。
上世纪80年代兴起的现场总线（Field Bus）是工业监控领域的一场技术革命，它用多节点，双向数字传输的通信网替代传统的分布式监控系统DCS（Distributed Control System）中的传输电缆，大大降低了传输电缆用量和系统成本，提高了系统的可靠性，便于用户使用和维护，得到了工业监控领域生产商，研究机构和现场的认可。它以总线为核心，集计算机技术、控制技术及通信技术为一体，有着DCS系统无法比拟的优越性。现场总线的特点非常适合众多分布式设备节点的集中监控，对于煤矿这样一个复杂的系统要实现集中监控，现场总线技术应该是比较理想的选择，也是矿井自动化领域发展的趋势之一。
在此，作者提出了一种基于现场总线中的CAN总线技术的SCADA系统的实现思路，供各位同仁参考。
2 CAN总线技术的特点及工作原理
控制器局域网络CAN（Control Area Network）总线是德国Bosch公司80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换而提出的一种串行通信协议。随着技术的发展，它作为现场总线已广泛应用于各行各业的工业现场，它使分布于不同地点的各个监控设备之间的数据交换显得更为灵活和直接。
2.1 CAN总线的特点
CAN是一种全分散、智能化、多点互联的双向串行数字通信网络，其特点是，①传输介质无特殊要求，可以用双绞线、同轴电缆或光纤；②工作方式灵活，可以主从、无主或多主方式工作，由软件程序灵活设定；③信息以广播方式发布，每个节点发送到总线上的报文可同时供所有节点接收；④信息以报文方式传递，淡化了节点地址的概念，节点的增加或摘除不会对系统运行产生影响；⑤使用非破坏性的总线仲裁技术解决总线竞争，通过预置消息优先级和自动退让的方式解决总线冲突；⑥传输速率达 1Mbps，最远距离可达10km。[2][3]
2.2 CAN总线的基本工作原理
CAN总线的拓扑结构如图1所示，是一个典型的串行总线的结构形式。
图1 CAN总线拓扑结构
CAN以全双工的方式工作，支持基于数据的消息包交换方式，当以无主或多主方式工作时，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向总线发送信息。
3 CAN总线在矿井应用中关键技术的实现
CAN总线的特性极大地方便了工业现场SCADA系统的组网实现，但其本身是一种非防爆性质的现场总线，不可能直接使用于煤矿井下，因此，还必须从电气防爆、网络结构及远距离通信等方面采取一些措施。
3.1网络结构
井下网络以2级较为适宜，即一级高速主干控制网下接一级设备级总线网。考虑到矿井的特点，网络拓扑采用总线型，传输介质以屏蔽双绞线为宜，加分支器可构成树型网络。
3.2传输距离
根据矿井巷道要求，任意两个节点之间的传输距离应达到10km以上。在距离不能满足要求时，可以使用如图2所示基于“转储－重发”原理的信号中继器。中继器由成对布置的CAN总线控制器（82C200）和CAN总线驱动器（82C250）以及用于双向数据协调、暂存的微处理器组成。
图2 信号中继器
3.3 防爆特性
总线结构应满足防爆和本质安全要求。以往的论文中有记录使用统一供电法为总线各节点传输设备供电的技术，即用一个本安电源为总线上的所有节点的总线驱动电路供电。受本安电源本身防爆技术指标的限制，电源容量不可能很大，因此所带节点数受到很大制约，并且电源故障将造成其所带节点的全线瘫痪，影响了工作的可靠性。在此，提出节点单独供电的方法，即每个节点单独为各自的信号传输回路提供本安电源。这样尽管加大了电源成本，但却大大提高了可靠性，每个电源的故障只影响本节点的工作而不会进一步扩大。结构示意图3所示：
图3 节点单独供电示意图
4 基于CAN总线的矿井SCADA系统
4.1 系统结构模型
矿井SCADA系统结构如图4所示。
图4 矿井SCADA系统结构
系统结构由两层构成，即控制层和设备层。控制层由各类功能节点组成，利用CAN总线技术实现各设备节点的信息互连。控制层网可以根据需要分为主干网和若干子网，以解决局部较为集中的设备节点控制问题，如综采工作面设备等。对于一些较为重要的环节，如环境安全、煤炭运输等设备节点，一般直接挂在主干网上。对于节点间超过10km的控制网络，采用中继器进行信号延伸。设备层是处于网络控制层底层的智能信息处理单元，由智能传感器、执行机构等组成，完成所控设备的数据采集，用于底层设备的低成本、高效率信息集成，达到减小费用和方便安装的功效。
4.2 系统构成
按节点类型分，本SCADA系统由以下几部分组成：
● 主控制节点。该节点位于地面调度室，负责整个生产监控系统的协调工作，根据情况，向其他所有节点传送人为指令，并接收汇总各节点信息。
● 环境安全监控节点。该节点包括瓦斯监测节点、给排水节点、通风机节点和电网供配电节点，由于涉及井下工人的生命安全，这些节点数据具有较高的优先级，一旦发生紧急情况，节点本身可以自主采取应急措施，起动备用设备，同时向总线发送紧急状态警报。这些节点施行无人值守，全自动运行。
● 生产设备监测节点。主要分布在生产现场，如采煤、掘进工作面，由于设备随时处于移动状态，所以对这些节点只实现总线监测功能，不施行远程集中控制。
● 运输监控节点。主要包括各类输胶带，这类节点施行地面集中监控，无专人值守。
● 总线监听节点。由于煤矿井下环境恶劣，任何节点都有可能发生故障而与总线中断联系。监听节点主要负责总线上各类功能节点与总线联系正常与否的巡回监测，并形成监测报告随时向总线公布。
4.3 各节点的软硬件配置
调度室中心控制节点采用PC机实现，PC机通过RS232/CAN适配器接入CAN总线网络。调度室同时应设有打印设备和大屏幕显示设备，以及报警设备，以利于对总线各节点的监视和故障分析。软件部分采用结构化BASIC语言Visual Basic 提供的通信控件Mscomm实现。
其余各现场节点采用可编程序控制器（PLC）实现，对于带有CAN接口协议的PLC可以直接接入网络，此处采用西门子S7200系列PLC，由于它只带有RS485接口，所以必须通过相应的RS485/CAN适配器，接入CAN总线网络。
4.4 实例分析
煤矿监控网络是一个非常复杂的网络，限于篇幅，文中不可能将所有节点的监控功能都加以实现，在此仅以地面调度中心对两条主胶带机的远程起停监控为例，简要说明如何利用现场CAN总线技术和PLC可编程序控制器技术实现本网络监控功能的过程。局部网络示意图如图5所示
两条主胶带机的起动和停止必须有严格的顺序，以防止煤炭的堆积而造成事故。即2号胶带的起动必须以1号胶带的起动为条件；1号胶带的停止必须以2号胶带的停止为先决条件。
图5 基于CAN总线的皮带监控示意图
两条胶带起停的互相闭锁，可以在硬件上实现，即互串常开（或常闭）节点的方式，但由于两条胶带电控相距近3km，实现起来有许多困难，而且不可靠。闭锁也可以在PC机控制程序中加以实现，在可靠性较高的情况下，此方法最为方便，但是如果PC机节点出现故障，将有可能引起胶带失控的现象。图6为两条胶带起停程序框图。
可见，在这里充分利用了CAN总线多主节点的特点，利用两条主胶带节点之间的互相信息交流，解决了闭锁问题，而且可靠性很高。此举在多条胶带的互锁起停时优点更为明显。
胶带1起动 胶带2起动
胶带2停止 胶带1停止
图6两条胶带的起停过程框图
5 总结
以CAN总线技术为基础构成的矿井SCADA调度网络，为煤矿井下各个复杂的环节进行安全有序监控提供了一条最为便捷的途径。利用基于TCP/IP协议的以太网技术将本SCADA调度网络与煤矿地面其他各生产、管理环节进行有效组合，使煤矿企业的综合信息化管理成为可能，是一项值得在煤矿系统广泛推广的实用技术。这种技术对提高我国煤矿企业的全员生产效率，促进以信息化推动工业化发展，以及增强加入WTO后我国煤矿企业的国际竞争地位必将发挥巨大的作用。