基于CAN總線技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：煤礦安全問(wèn)題一直以來(lái)都是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，而提高煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性、穩(wěn)定性，是提高煤礦安全管理的重要手段。對(duì)于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，煤礦井下工作環(huán)境具有現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、設(shè)備分布分散、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，因此會(huì)對(duì)煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。與其它技術(shù)相比，CAN總線技術(shù)體現(xiàn)出通信速率快、傳輸距離長(zhǎng)、容納節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)勢(shì)，故在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章針對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中CAN總線技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線技術(shù)；煤礦安全；監(jiān)控系統(tǒng)

CAN是一種串行通訊網(wǎng)絡(luò)，是指控制器局域網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)分布式的實(shí)時(shí)控制，與其它通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，CAN的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出簡(jiǎn)潔的反饋信息、遠(yuǎn)距離的傳輸、較低的傳輸錯(cuò)誤率、較高的傳輸效率、高可靠性、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等多個(gè)方面，故在煤礦安全監(jiān)控管理中采用CAN總線技術(shù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 CAN總線與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

CAN為串行通信協(xié)議，可有效支持分布實(shí)時(shí)控制，體現(xiàn)出較高的安全等級(jí)。CAN應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要以CAN技術(shù)規(guī)范為基本依據(jù)，在任何兩個(gè)基于CAN總線的儀器之間建立兼容性，對(duì)傳輸層進(jìn)行規(guī)范定義，在周圍各層當(dāng)中將CAN協(xié)議的作用充分發(fā)揮出來(lái)。CAN的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）多主工作方式，即網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻均可向其它節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送信息，各節(jié)點(diǎn)之間不存在主從關(guān)系；而報(bào)文標(biāo)識(shí)符方面，CAN可以將各個(gè)節(jié)點(diǎn)分為不同優(yōu)先級(jí)，可更好滿足不同的實(shí)時(shí)要求。（2）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，該技術(shù)可以保證網(wǎng)絡(luò)在負(fù)載較大的情況下保持穩(wěn)定性；直接通訊距離可以速率低于每秒5kb的狀態(tài)下達(dá)到10km。（3）由于報(bào)文采用的是短幀結(jié)構(gòu)，故不易受干擾，傳輸時(shí)間短；CAN總線驅(qū)動(dòng)器電路決定了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。（4）CAN每幀信息均有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，這些可靠的檢錯(cuò)措施組成了系統(tǒng)可靠的錯(cuò)誤處理及糾錯(cuò)機(jī)制。即使錯(cuò)誤非常嚴(yán)重，CAN也具備自動(dòng)關(guān)閉輸出功能；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)。由此可見，與一般的通信總線相比，CAN采用了許多新技術(shù)及新設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出較強(qiáng)的可靠性、實(shí)時(shí)性及靈活性。在煤礦安全監(jiān)控管理中應(yīng)用CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意一路CAN任意節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)、配置、組態(tài)，系統(tǒng)中的傳感器、控制器、執(zhí)行器均為互相獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，真正做到分散控制、互相通信。

2 基于CAN總線技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CAN總線技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)共包括三大部分，即煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)、礦井網(wǎng)關(guān)及多礦井分布式監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)，下文分別進(jìn)行介紹：

2.1 煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)

煤礦安全監(jiān)控智能決策與管理系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)在線智能管理控制系統(tǒng)—因特摩系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其將包含了專家系統(tǒng)、智能搜尋器、自動(dòng)機(jī)器翻譯及計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的智能系統(tǒng)與因特網(wǎng)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能監(jiān)控。在煤礦安全生產(chǎn)中應(yīng)用因特摩技術(shù)，可獲取更多事故預(yù)報(bào)的私有知識(shí)，以起到預(yù)報(bào)事故的作用，為安全生產(chǎn)管理者提供更多的參考信息，提高決策管理的針對(duì)性，將事故控制在萌芽狀態(tài)。該模塊包括分站監(jiān)控機(jī)、主監(jiān)控機(jī)及分布式系統(tǒng)，井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)提交至各分站監(jiān)控機(jī)智能決策及管理系統(tǒng)，分站監(jiān)控機(jī)分析后，將處理過(guò)的信息提交至主監(jiān)控機(jī)與服務(wù)器，最終得出相關(guān)決策及措施，對(duì)應(yīng)設(shè)備接收到相關(guān)控制信息后做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)礦井安全的智能決策與管理。

2.2 礦井網(wǎng)關(guān)

礦井網(wǎng)關(guān)的主要作用是連接以太網(wǎng)及CAN總線。此處采用AT75C220芯片，該芯片具有兩個(gè)以太網(wǎng)接口，并具備語(yǔ)音處理功能；該芯片嵌入網(wǎng)關(guān)，CAN總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接以太網(wǎng)，由此可見，該模塊中AT75C220處理器是關(guān)鍵部分。該芯片具有雙MAC以太網(wǎng)端口及橋接器，用于連接以太網(wǎng)，其DSP語(yǔ)音處理功能可在以太局域網(wǎng)中接入電話。CAN控制器選擇菲利浦公司生產(chǎn)的SJA1000、PCA82C250，其支持CAN2.0B通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送及對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收。以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與CAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換是通過(guò)AT75C220芯片在網(wǎng)絡(luò)層完成的，并通實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信及互聯(lián)。以太網(wǎng)接收IP包，拆包后取出數(shù)據(jù)，再按照CAN通信協(xié)議重新組成幀，發(fā)送至接入設(shè)備。通過(guò)該網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)CAN總線設(shè)備與以太網(wǎng)的通信。

2.3 井下分布式控制子網(wǎng)

井下分布式控制子網(wǎng)是整個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各類控制設(shè)備及報(bào)警設(shè)備及分站監(jiān)控機(jī)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要作用是對(duì)井下生產(chǎn)及工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得原始的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分站監(jiān)控機(jī)通信系統(tǒng)的主要作用是將井下現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸至井上。通過(guò)單片機(jī)、獨(dú)立CAN控制器所組成的接口模塊，井下數(shù)據(jù)采集設(shè)備、各類生產(chǎn)設(shè)備、安全設(shè)備、控制設(shè)備及報(bào)警設(shè)備等才可實(shí)現(xiàn)與CAN總線的通信。井下數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集各安全指標(biāo)模擬量及各個(gè)開關(guān)狀態(tài)量后，再通過(guò)CAN通信及接口模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線；此外，通過(guò)CAN通信及接口模塊，井下生產(chǎn)設(shè)備及安全保障設(shè)備實(shí)現(xiàn)了與CAN總線與現(xiàn)場(chǎng)控制及報(bào)警器的連接，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在設(shè)備通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、系統(tǒng)擴(kuò)展及升級(jí)能力差的特點(diǎn)，CAN是一種有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)更好地解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)多、分布廣、監(jiān)控距離遠(yuǎn)的情況下保證監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的煤礦安全管理要求。

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