關于KJ90X安全監控系統的研究

郭棟

（晉城市沁水縣胡底煤業 山西省晉城市 048000）

1 傳輸方式的差異

RS485 是定義平衡數字多點系統中驅動器和接收器的電氣特性的標準，該標準由電信行業協會和電子行業聯盟定義。使用該標準的數字通信網絡能在遠距離條件下以及電子干擾大的環境下有效傳輸信號。KJ90X 系統中使用RS-485 信號的數據傳輸可以達到2KM 的距離。CAN 是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN)，是ISO 國際標準化的串行通信協議，CAN 總線是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維， CAN 總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。KJ90X 系統中使用CAN 總線型傳輸方式理論距離可以達到5KM。光纖是光導纖維的簡稱，光經過調變后便能攜帶資訊以發射器產生光訊號，在確保光訊號在光纖中不會衰減后以接收器接收光訊號，并且轉換成電訊號，便能將大量的信息快速傳輸。KJ90X 系統中使用光纖傳輸理想的環境情況下可以達到10KM。網線是雙絞線的統稱，分為非屏蔽雙絞線UTP 和屏蔽雙絞線STP，日常使用的普遍為非屏蔽雙絞線，制作使用方便，在短距離情況可以同時傳輸多種數據，KJ90X 系統中使用網線傳輸理想情況下距離可達到100M。

四種不同方式的傳輸使得KJ90X 系統的應用可以兼顧不同情景下的使用要求，使得組網更加靈活方便。

2 不同傳輸方式的應用

生產的前提是安全，保障安全的首要條件就是人與環境，隨著信息化數字化的發展，目前數據的監測已經不同于往日，在大數據云計算的保障下，井下的各級設備以及數據要相容相合，綜合判斷統一行動。KJ90X安全監測系統的分站利用CAN 總線型的各類傳感器可以傳輸整條巷道的數據，分站于分站之間使用光纖統一連接保障數據的快速傳輸，在集中的硐室和變電所內使用網線進行分站之間的數據傳輸，便捷且穩定。胡底礦是山西省的高突高瓦斯礦井，安全監控系統的穩定以及系統的日常維護至關重要。

3 CAN總線的優勢

CAN 總線通信網絡與其他通信網絡有兩點不同。一是消息傳輸不包含目標地址，它是基于全網廣播的，每個接收站都基于報文消息中數據性質的標識符來過濾消息的，好處是它們可以連接到總線或從總線斷開也可以即插即用，也可以主動傳輸和多站接收；其次，特別加強了對數據安全的重視，滿足了對控制系統和數據系統的更高要求。

其協議基于國家標準組織的開放系統互連模型。其突出特點是：

3.1 多主站按優先級進行總線接入

網絡上的任何節點都可以隨時主動向網絡發送信息，不分主從。任何單元都可以發信息。具有最高優先級消息的單元贏得總線訪問。

3.2 基于無損優先級的仲裁

網絡上的多個節點可以同時向總線發送數據，節點的數據速度如何，是取決于該節點發送的消息的標識符來確定優先級和優先級，當較低優先級的節點主動退出時，較高優先級的節點可以不受影響地發送數據，特別是當網絡負載較重時，網絡不會癱瘓。

3.3 通過接收濾波進行多地址幀傳輸

當一個節點接收到一條消息時，將標識符與它自己的接收代碼寄存器和掩碼寄存器進行比較，以確定是否接收它。

3.4 遠程數據請求

每個節點可以向另一個節點發送一個遠程幀來請求該節點的數據幀，并且該數據幀和對應的遠程幀用相同的標識符命名。

3.5 配置靈活性

寄存器可以靈活設置，使節點可以既可以接受也可以發送數據。

3.6 全系統數據兼容性

3.7 檢測錯誤和錯誤的信令

傳輸過程中的每幀信息都有驗證等錯誤檢測措施，具有良好的錯誤檢測效果。

3.8 抗干擾能力強

由于報文采用短幀的結構，傳輸時間短，受到干擾的概率低，從而保證了數據誤碼率低。在出現嚴重錯誤的情況下，該節點還具有自動關閉輸出的功能，這樣就不會影響總線上其他節點的操作。

3.9 唯一實現國際標準（ISO11898）的傳輸方式

另外，網絡上的節點數量主要取決于總線驅動電路，最多可達110 個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，具有多環境且性價高的特點。

4 胡底礦KJ90X安全監控系統的CAN總線傳輸

（1）KJ90X 系統配套使用KJ90-F16(B)總線型分站，分站基于ARM 內核的32 位嵌入式微控制器，具有6 條總線，分站到傳感器的最大傳輸距離不小于2 km，分站到控制執行器的最大傳輸距離不小于2 km，分站到礦用網絡交換機采用RS485 傳輸方式的最大傳輸距離不小于4 km。其中4 條總線用于各類傳感器的接入，1 條用于與監控主機的通訊，1 條用于與其他智能設備的連接，另有以太網光口2 組可與其他100M 內的監控分站直接連接，依據《煤礦安全監控系統升級改造方案》的要求到2020年末期監控系統分站至交換機之間必須采用工業以太網傳輸，胡底礦在2019年5月安全監控系統升級，將井下光纜進行優化，使用主干光纜，集中放置點網線的方法，將KJ90-F16(B)分站監控數據的傳輸全部為工業以太網傳輸。

（2）每條總線可同時接入4 臺模擬量或開關量數字傳感器，4條總線則可同時接入16 臺模擬量或開關量數字傳感器，可實現監控系統的全數字化，提高傳輸環節的可靠性。配合單片機的存儲，異地斷電不再需要地面中心站軟件下發控制命令，分站間可數據交換實現現場異地斷電功能。

（3）分站采用工程塑料外殼，防護等級由原來的IP54 提升到IP65，分站所連接的所有傳感器也為IP65 防護級別，可以在淋水環境下正常運行。

（4）在我礦的安全監測系統部署中，CAN 總線傳輸是基礎，CAN 的協議其實也是利用串行通訊，但是與一般串行不同的是CAN 協議可以兼顧CAN 各點之間的電氣特性和數據協議，因為CAN 被細分成為不同的層次。

首先是物理層，物理層定義信號如何實際的傳輸，涉及到定時、位編碼/解碼、同步的解釋，沒有定義物理層面的驅動器和接收器的特性，以次來便于根據不同的應用來對每題和信號電平進行優化。其次是數據鏈路層，鏈路層分為兩個子層，分別為介質訪問控制層（MAC）和邏輯鏈路控制層（LLC）。介質訪問控制（MAC）是CAN 協議的核心，受到“故障界定”的管理和監督，“故障界定”也就是我們日常俗稱的自檢機制，有了自檢機制，傳感器本可以將永久故障和短時數據擾動卻別開。邏輯鏈路控制層（LLC）涉及到報文的濾波、過載通知以及恢復管理。層次結構見圖1、圖2。

圖1

圖2

由于CAN 總線的特性，就可以使得胡底礦在工業環網的配合下，采用多種介質來傳輸數據，這在實際的日常維護中將節省大量的人力，在線纜和設備出現故障時可以快速的恢復。也可以使得胡底煤業在交換機與分站之間的線纜斷開的情況下，依靠KJ90-F16B分站內已經存儲的斷電關系和報警斷電數值，井下的環境依然在可控范圍內，不會出現由于交換機與分站之間斷開導致井下瓦斯超限、風機停運等情況下無法斷電的情況發生。

5 總結

我礦KJ90X 系統應用以來至今未出現任何模擬量傳感器因受到干擾而中斷的情況，這都歸功于KJ90X 系統所使用的CAN 總線型基礎傳輸方式。系統中所有的傳感器均可以實現自檢，并且識別自身故障，小于1 分鐘的數據閃斷傳感器可以自動判定而不進行傳感器的重啟動作，最大程度的保證了數據的連續性，并且可以在統一端口進行不同類型傳感器的連接和電腦切換操作。這對于礦井的安全生產以及設備控制是有利的。