现场总线CAN-bus 在煤矿通讯中的优势

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：�●考勤和巡检系统�●作业现场环境监测同时，煤矿通讯具有非常明显的自身行业特点：�●设备符合本质安全要求�●现场环境恶劣�●通讯距离较远�●数据传输要求可靠实时�●同一网络设备节点较多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IEEE802.15.4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-busCAN-bus（ControllerAreaNetwork）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；2、传输距离远（无中继时最远10Km），传输速率快（最高1Mbps）；3、单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数；4、总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；5、非破坏的总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；6、出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；7、报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；8、对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高；9、具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；10、通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等；11、CAN-bus总线系统结构简单，性价比极高。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1CAN-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（Exd）、增安（Exe）、本质安全（Exi）、正压（Exp）、浇封（Exm）和无火花（Exn）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UART�CAN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3RFID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