1. 現(xiàn)場總線CAN-bus 在煤礦通訊中的優(yōu)勢 煤礦生產(chǎn)是與國計民生密切相關的一個領域。其中，煤礦安全無疑是大家關注的熱點之一，不僅對社會經(jīng)濟有影響，更關系到每個礦業(yè)人員的生命安全。煤礦系統(tǒng)中原先的各類獨立設備已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代化煤礦生產(chǎn)的需求；組建一個技術先進的煤礦通訊網(wǎng)絡，對煤礦的工作人員、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測、控制，形成一個能夠滿足地域化控制、符合煤礦安全要求的煤礦數(shù)據(jù)/信息管理系統(tǒng)，這已經(jīng)是煤礦行業(yè)的發(fā)展大趨勢。 煤礦企業(yè)內(nèi)部通過煤礦通訊網(wǎng)絡傳輸各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)；通常傳輸?shù)氖莵硗诟鱾€現(xiàn)場設備之間的控制類數(shù)據(jù)，一般都屬于小流量、實時數(shù)據(jù)。 煤礦通訊主要涉及以下兩個方面的應用： 􀁺 ●考勤和巡檢系統(tǒng) 􀁺 ●作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測 同時，煤礦通訊具有非常明顯的自身行業(yè)特點： 􀁺 ●設備符合本質(zhì)安全要求 􀁺 ●現(xiàn)場環(huán)境惡劣 􀁺 ●通訊距離較遠 􀁺 ●數(shù)據(jù)傳輸要求可靠實時 􀁺 ●同一網(wǎng)絡設備節(jié)點較多 按國家對煤礦企業(yè)中現(xiàn)場通訊設備的參數(shù)要求，目前在煤礦行業(yè)中可運行的常見通訊方式有串行通訊RS-485、現(xiàn)場總線CAN-bus、調(diào)制解調(diào)Modem、無線通訊等幾種方式。本文將對比這幾種通訊方式，并結(jié)合實際項目的運行經(jīng)驗，從而匯總一些煤礦行業(yè)應用現(xiàn)代化通訊的特點、優(yōu)勢，并且介紹現(xiàn)場總線CAN-bus 的主要優(yōu)勢。 1、串行通訊RS-485 國際EIA 協(xié)會在1983 年制定了RS-485 標準，這是一個串行通訊的電氣標準。與第一代的RS-422 標準相比，RS-485 標準支持多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。 RS-485 標準是一種實現(xiàn)成本較低的多點網(wǎng)絡通訊方式，通用RS-485 收發(fā)器的價格低于10 元/個；RS-485 網(wǎng)絡是最常見到的通訊方式之一，單一網(wǎng)絡能夠連接32 個節(jié)點，通訊距離夠達到1200 米；RS-485 設備可以基于普通單片機UART 端口進行開發(fā)，電路設計簡單。在工業(yè)自動化設備、分布式數(shù)據(jù)采集、樓宇安防、早期的煤礦網(wǎng)絡等領域，RS-485 設備是最常見到的通訊設備之一。 RS-485 標準也有許多不足，尤其是在比較復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，RS-485 難以保障數(shù)據(jù)的實時性、網(wǎng)絡的可靠性。最新的行業(yè)標準中，要求煤礦設備能夠在不加輔助網(wǎng)橋的情況下，連接長達4Km 的網(wǎng)絡，這也是RS-485 標準難以逾越的技術鴻溝。因此，RS-485 標準在煤礦行業(yè)出現(xiàn)的機會將越來越少。 2、調(diào)制解調(diào)Modem 調(diào)制解調(diào)（MODEM）即利用模擬信號傳輸線路來傳輸數(shù)字信號。調(diào)制的過程，即發(fā)送方將數(shù)字信號“翻譯”成模擬信號，才可以通過模擬信號傳輸線路進行遠程傳輸；解調(diào)的過程，即將來自模擬傳輸線路的模擬信號“翻譯”回數(shù)字信號，供接收方閱讀并處理。最常見的產(chǎn)品，如PC 機調(diào)制解調(diào)器，利用電話線路實現(xiàn)電腦上網(wǎng)。 調(diào)制解調(diào)方式能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)通訊；但是，構(gòu)建多點網(wǎng)絡的不便利，以及相對較高的設備硬件成本限制了調(diào)制解調(diào)方式在煤礦行業(yè)的應用。 3、無線通訊 無線通訊ZigBee，符合IEEE 802.15.4 標準，是一種短距離的高頻無線通訊標準，具有低成本、低耗電、雙向傳輸、高可靠度、自動感應網(wǎng)絡功能等特性。 ZigBee 技術是近幾年才發(fā)展起來的新技術，主要應用在監(jiān)測、控制與自動化等市場。由于目前ZigBee 產(chǎn)品的開發(fā)成本較高，且只適合短距離、小范圍內(nèi)通訊；雖然已在煤礦行業(yè)有了一些研究性質(zhì)的探索與應用，但主要集中在人員考勤與RFID 識別類產(chǎn)品，屬于小范圍現(xiàn)場網(wǎng)絡，并不真正能夠滿足煤礦行業(yè)較多設備聯(lián)網(wǎng)的應用。 與ZigBee 的應用相類似，已在煤礦行業(yè)進入批量應用的無線通訊還有433Mz 的nRF無線數(shù)傳技術，但也屬于短距離無線數(shù)據(jù)通訊，主要被用在人員考勤與RFID 識別上。 4、現(xiàn)場總線CAN-bus CAN-bus（Controller Area Network）總線最早由德國Bosch 公司提出，主要用于汽車內(nèi)部單元與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由于其良好的性能，被廣泛應用于其他領域中，如工業(yè)自動化、汽車電子、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡、電力通訊和安防消防等諸多領域，并取逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。 現(xiàn)場總線CAN-bus 的特點： 1、國際標準的工業(yè)級現(xiàn)場總線，傳輸可靠，實時性高； 2、傳輸距離遠（無中繼時最遠10Km），傳輸速率快（最高1Mbps）； 3、單條總線最多可接110 個節(jié)點，并可方便的擴充節(jié)點數(shù)； 4、總線上各節(jié)點的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實時傳輸； 5、非破壞的總線仲裁技術，可多節(jié)點同時向總線發(fā)數(shù)據(jù)，總線利用率高； 6、出錯的CAN 節(jié)點會自動關閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響總線的通訊； 7、報文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC 校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低； 8、對未成功發(fā)送的報文，硬件有自動發(fā)功能，傳輸可靠性很高； 9、具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協(xié)議編制； 10、通訊介質(zhì)可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等； 11、CAN-bus 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比極高。 現(xiàn)場總線CAN-bus 在網(wǎng)絡開放性、通訊可靠性、網(wǎng)絡通訊距離、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目、數(shù)據(jù)傳輸實時性、系統(tǒng)設計成本等方面都具有強大的優(yōu)勢。因此，當CAN-bus 應用于煤礦通訊系統(tǒng)時，立即獲得了廣大設備用戶的認可，成為煤礦行業(yè)中首選的設備通訊網(wǎng)絡。通過由CAN-bus 構(gòu)建的煤礦現(xiàn)場設備網(wǎng)絡，管理者和主控設備能即時地了解、處理當前的礦井情況，發(fā)覺事故隱患，避免危機的發(fā)生。 同時，基于開放的現(xiàn)場總線CAN-bus 技術，構(gòu)建煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡，或開發(fā)特定功能的通訊設備，都已經(jīng)不會存在技術上的門檻。而且，現(xiàn)場總線CAN-bus 本身是符合本質(zhì)安全要求的。 5、CAN-bus 與RS-485 比較 與通常應用的RS-485 標準相比，現(xiàn)場總線CAN-bus 具有更多方面的優(yōu)勢，可以完全取代RS-485 網(wǎng)絡，從而組建一個具有高可靠性、遠距離、多節(jié)點、多主方式的設備通訊網(wǎng)絡。同時，現(xiàn)場總線CAN-bus 可以直接使用RS-485 標準相同的傳輸電纜、拓撲結(jié)構(gòu)，方便原有設計資源的系統(tǒng)升級。 將CAN-bus 總線與RS-485 標準的特性進行比較，區(qū)別如表格 1 所示： [align=center]表格 1 CAN-bus 總線與 RS-485 標準的特性比較 [/align] 通過對節(jié)點設備的通訊電路部分設計升級，可以方便地將原有RS-485 網(wǎng)絡建設成先進的現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡，甚至不需要改動原RS-485 有網(wǎng)絡的布線、拓撲、運行軟件。 同樣，也可以不改動原有RS-485 網(wǎng)絡的節(jié)點設備，只需要增加一些網(wǎng)關轉(zhuǎn)換器，即可將將RS-485 網(wǎng)絡升級成CAN-bus 網(wǎng)絡。例如，需要增加的轉(zhuǎn)換器有CAN485MB 協(xié)議轉(zhuǎn)換器、CAN232MB 協(xié)議轉(zhuǎn)換器、CSM100 嵌入式通訊模塊等。升級改造成功后的CAN-bus 網(wǎng)絡可以采用更先進的管理方式，比如組態(tài)管理、多主管理，有效提高網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸效率，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 2. 煤礦通訊中使用CAN-bus 的技術要素 煤礦行業(yè)的生產(chǎn)運行設備都需要遵照國家規(guī)定的煤礦行業(yè)設備標準；煤礦通訊網(wǎng)絡也屬于同一類型的設備，額定參數(shù)必須符合相關的技術標準。 1、 本質(zhì)安全 什么是本質(zhì)安全？在石油、化工等過程測量與自動化控制系統(tǒng)中，可能出現(xiàn)潛在的爆炸性環(huán)境，在實踐應用中設計人員必須對系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備及其相關設備采取相應的防爆措施。隨著電氣設備防爆技術的不斷進步和發(fā)展，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設備防爆技術有：隔爆（Ex d）、增安（Ex e）、本質(zhì)安全（Ex i）、正壓（Ex p）、澆封（Ex m）和無火花（Ex n）型等。在眾多的防爆技術中，本質(zhì)安全（以下簡稱本安）防爆技術具有成本低、體積小、重量輕、允許在線測量和帶電維護等優(yōu)點，同時它也能用于0 區(qū)危險場所。因此在低壓、低功率電氣設備、儀器儀表等領域內(nèi)，它是首選的防爆技術。然而由于本安防爆實質(zhì)上是系統(tǒng)防爆，其防爆性能不僅與關聯(lián)設備有關，而且也與相應設備有關。 煤礦行業(yè)的通訊設備必須符合《GB3836 爆炸性氣體環(huán)境用設備》標準，我們也簡稱為“煤安”標準。 現(xiàn)場總線CAN-bus 的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，同一網(wǎng)絡可以連接110 個設備；通訊報文以差分信號的形式進行傳輸。常用CAN-bus 收發(fā)器的電壓、電流參數(shù)見表格 2 所示。 [align=center]表格 2 各型號CAN 收發(fā)器的最大電源電流 [/align] 煤礦行業(yè)中，構(gòu)建CAN-bus 網(wǎng)絡的常用CAN-bus 設備的功耗指標見表格 3 所示。 [align=center]表格 3 各型號CAN 設備的最大電源電流 [/align] 由上述兩表列出的參數(shù)可見，基于現(xiàn)場總線CAN-bus 的設備一般都可以長期安全運行在防護要求很高的煤礦行業(yè)爆炸性氣體環(huán)境中。 2、通訊距離 煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡涉及礦上通訊、井下礦道通訊；其中，井下礦道通訊是重點。一個中小型煤礦的通訊網(wǎng)絡，井下礦道通訊可能需要達到20 公里，甚至有更遠的距離。 現(xiàn)場總線技術中，通訊距離與通訊速率密切相關。通常，當通訊速率為5Kbps 時，CAN-bus 網(wǎng)絡可以達到10Km 的通訊距離；安裝1 個CANbridge 網(wǎng)橋，即可以延長1 倍的通訊距離，并可增加連接1 倍的CAN-bus 節(jié)點數(shù)目。 煤礦行業(yè)建立CAN-bus 網(wǎng)絡時，根據(jù)現(xiàn)場的通訊距離、數(shù)據(jù)流量等需求參數(shù)，一般可選擇的通訊速率有 5Kbps、10Kbps、20Kbps 等標準波特率；特殊場合可以選擇2.5Kbps 的通訊速率，以獲得更遠的通訊距離。CANbridge 網(wǎng)橋、CANET-E 網(wǎng)關都可以支持2.5Kbps的通訊速率。 通訊電纜的合理選擇，對CAN-bus 網(wǎng)絡的通訊距離也有非常重要的影響。通常選擇礦用阻燃電纜作為CAN-bus 網(wǎng)絡的傳輸介質(zhì)，參數(shù)：雙絞線，直徑1.5mm2，電阻12.1Ω/Km，電感800mH/Km，電容0.06uF/Km。符合該參數(shù)的礦用阻燃電纜可以在5Kbps 達到6～7Km的通訊距離。 3、網(wǎng)絡布線 煤礦行業(yè)的礦井結(jié)構(gòu)比較復雜，一般都存在較多的分支巷道，多為樹形結(jié)構(gòu)或者魚刺形結(jié)構(gòu)。通常的CAN-bus 總線型拓撲結(jié)構(gòu)并不適合礦井內(nèi)的通訊布線；但是，通過在合適位置安裝CANbridge 網(wǎng)橋，從而改變整個網(wǎng)絡的拓撲方式，形成樹形拓撲或星形拓撲，既方便施工與布線，節(jié)省電纜成本，又可以提高通訊效率，增加網(wǎng)絡整體連接設備的能力。 圖 1 是一個煤礦井下礦道的CAN-bus 網(wǎng)絡布線實例，說明了CANbridge 網(wǎng)橋在井下礦道的應用，以及如何合理地改變CAN-bus 總線的拓撲結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖 1 網(wǎng)橋CANbridge 的應用實例[/align] 終端電阻的連接也是CAN-bus 網(wǎng)絡布線中必須注意的要點。主干線的最遠兩端必須各連接一個120Ω 的終端電阻，對于主干線上的其它任何設備不用接終端電阻；對于連接到CANbridge 網(wǎng)橋的CAN-bus 分支線網(wǎng)絡，同樣要在最遠兩端必須各接一個120Ω 的終端電阻。關于拓撲結(jié)構(gòu)的知識，可以參考文檔《網(wǎng)橋CANbrige 在煤礦通訊井下網(wǎng)絡中的應用》。 3. 煤礦通訊的CAN-bus 應用實例 目前，煤礦行業(yè)的通訊網(wǎng)絡主要用于實現(xiàn)兩個方面的功能：考勤和巡檢系統(tǒng)、作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。下面將介紹一些已經(jīng)成功投入運行的應用實例。 1、 考勤和巡檢系統(tǒng) 井下監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對煤礦井下的目標監(jiān)測/跟蹤自動化、信息化管理。通過對煤礦井道內(nèi)遠距離移動目標進行非接觸式的信息采集處理，實現(xiàn)對井下人員的考勤，以及井下的人員、車輛、物料在不同狀態(tài)下的自動識別。 近年來，RFID 識別已經(jīng)成為煤礦行業(yè)中人員考勤與巡檢系統(tǒng)的主流技術。當帶有個人信息的RFID 卡進入RFID 讀卡器的識別范圍之后，RFID 讀卡器將讀取RFID 卡片信息，再將卡片信息通過CAN-bus 網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。 RFID 讀卡器的識別范圍容易受外部環(huán)境影響，識別距離在幾十米以內(nèi)。需要合理地設置RFID 讀卡器的間距，一般應用中，每間隔50m 的礦道就安裝一個RFID 讀卡器。 RFID 讀卡器集成有UART 接口，可以通過擴展CSM100 嵌入式UART􀃙CAN 芯片，構(gòu)成1 個具有CAN-bus 通訊接口的RFID 讀卡器，通過CAN-bus 網(wǎng)絡傳輸RFID 卡信息。 [align=center] 圖 2 采用CSM100 模塊建立CAN-bus 通訊網(wǎng)絡[/align] [align=center] 圖 3 RFID 讀卡器、RFID 電子標簽[/align] 2、 安全參數(shù)檢測 煤礦礦井內(nèi)中需要檢測的各種環(huán)境參數(shù)有：溫度濕度、氣體濃度、粉塵濃度、電力設備參數(shù)、運行機構(gòu)參數(shù)等。 煤礦礦井內(nèi)作業(yè)現(xiàn)場的各種環(huán)境參數(shù)，通過安裝在各控制點的監(jiān)測傳感器，轉(zhuǎn)換成通常的4～20mA 電流環(huán)信號，然后通過信號電纜集中傳送到環(huán)境參數(shù)采樣設備；每一個環(huán)境參數(shù)采樣設備都可以連接多達8 路的4～20mA 電流環(huán)信號。使用4～20mA 電流環(huán)信號，傳輸距離可達數(shù)百米，最遠可以達到2 公里。監(jiān)測傳感器、傳輸電纜、采樣設備等多個因素共同決定了環(huán)境參數(shù)模擬信號的采樣精度。 環(huán)境參數(shù)采樣設備連接到CAN-bus 網(wǎng)絡可以有以下幾種方式： 􀁺 ●集成CAN-bus 通訊電路的采樣設備直接連接到CAN-bus 網(wǎng)絡，設備地址、通訊速率等參數(shù)通過外部的撥碼地址開關設定，方便現(xiàn)場調(diào)節(jié)； 􀁺 ●集成RS-232 通訊電路的采樣設備通過CAN232MB 轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus 網(wǎng)絡，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設定RS-232 通訊速率、CAN-bus 通訊速率，還可以增設唯一的設備單元地址； 􀁺 ●集成RS-485 通訊電路的采樣設備通過CAN485MB 轉(zhuǎn)換器連接到CAN-bus 網(wǎng)絡，采用透明轉(zhuǎn)換方式，需要事先人工設定RS-485 通訊速率、CAN-bus 通訊速率，還可以增設唯一的設備單元地址； 煤礦礦井內(nèi)的所有環(huán)境參數(shù)采樣設備都連接到同一個CAN-bus 網(wǎng)絡，并通過同一級網(wǎng)的CAN-bus 網(wǎng)橋（采用光纖通訊或雙絞線通訊介質(zhì)，用于延長通訊距離）、上一級網(wǎng)的CANET-E 網(wǎng)關（用于轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)Ethernet 數(shù)據(jù)），連接到煤礦井上的主控PC 機。 [align=center] 圖 4 基于CAN-bus 的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[/align] 4. 煤礦通訊中的CAN-bus 發(fā)展趨勢 現(xiàn)場總線CAN-bus 是一個開放的標準，也是最早獲得市場認可的國際標準之一；幾乎所有的國際半導體公司都提供有開發(fā)CAN-bus 產(chǎn)品的支持。只需簡單地約定網(wǎng)絡應用層的通訊協(xié)議，所有基于CAN-bus 總線的節(jié)點設備能夠方便地互連互通，形成多種設備相互通訊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。因此，基于現(xiàn)場總線CAN-bus 標準，煤礦通訊網(wǎng)絡中的考勤與巡檢設備、安全參數(shù)檢測設備可以共存于同一個現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡之中，也可以為未來新增加的設備提供一個標準的通訊接口。 利用現(xiàn)場總線CAN-bus，可以非常方便地構(gòu)建起煤礦行業(yè)的井下通訊主干網(wǎng)絡。同時，作為現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡的一個設備節(jié)點，CANET-E 網(wǎng)關可以與以太網(wǎng)Ethernet 實現(xiàn)互連互通，從而將現(xiàn)場總線CAN-bus 接入無處不在的Internet 網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)十公里以外，乃至整個地區(qū)的運行數(shù)據(jù)采集、管理，滿足煤礦行業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化管理要求。同理，井下的CAN-bus 設備節(jié)點可以與Wireless 網(wǎng)絡實現(xiàn)互連互通，從而構(gòu)成小范圍的無線數(shù)據(jù)采集（主要是RFID 采集）網(wǎng)絡。由此看來，煤礦行業(yè)的CAN-bus 網(wǎng)絡正朝著三層網(wǎng)絡的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。 [align=center] 圖 5 煤礦行業(yè)的三層網(wǎng)絡架構(gòu)[/align] 采用光纖通訊的CAN-bus 網(wǎng)絡也是煤礦行業(yè)通訊網(wǎng)絡的一個發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的雙絞線傳輸方式相比，光纖的低傳輸損耗使傳輸距離大為增加，更適應煤礦行業(yè)中一些遠距離傳輸?shù)男枨?。另外，光纜還具有不輻射能量、不導電、沒有電感，且光纜中不存在串擾以及光信號相互干擾的影響，有著優(yōu)良的抗EMI 以及EMC 特性，也不會存在因線路感應耦合導致的安全問題。光纖通訊方式、雙絞線通訊方式的兩種CAN-bus 網(wǎng)絡將并存于煤礦行業(yè)中。