煤矿远程通讯中的CAN-bus应用.pdf

广州致远电子有限公司工控事业部 Tel020 22644249 28872572 煤矿远程通讯中的煤矿远程通讯中的 CAN-bus 应用应用 关键词煤矿通讯关键词煤矿通讯 现场总线现场总线 CAN-bus 总线总线 CAN485MB 协议转换器协议转换器 本安本安 1.1 前言前言 煤矿安全无疑已成为社会关注的热点， 不仅对社会经济有影响， 更关乎矿业人员的生命 安全。产生煤矿安全隐患的原因之一是对有害情况的监测和控制存在一些缺陷；并且，煤矿 中各种类型系统相互独立，信息不互通，也是造成统一管理不便的原因。随着国家对煤矿安 全生产的管理越来越规范， 加强了对煤矿安全生产的监管力度， 要求对矿井设备不仅有更全 面的功能，通讯也要更加的实时可靠，以便及时了解与查询现场安全监测监控信息。 在此，我们根据自身经验，以及一些煤矿领域的相关应用，提出一种性价比非常高的现 场总线通讯系统，即 CAN-bus 总线方案，用来解决煤矿系统的通讯问题。 1.2 煤矿通讯现状煤矿通讯现状 煤矿井下的环境是非常复杂和恶劣的， 需要的工作设备和监测设备也非常之多。 井下检 测环境的主要特点有 1、环境异常恶劣。系统的观测点多数都在井下和高压设备的环境中，受到较强的电磁 辐射和耐潮耐腐的考验， 不仅检测的准确度受到一定的干扰， 而且数据的传输也变得不那么 可靠。 2、检测对象种类繁多。矿井下的很多环境参数都会牵涉到事故的发生。比如通风不足 造成瓦斯浓度过大可能导致瓦斯爆炸。一氧化碳浓度过大会导致井下工作人员中毒，等等。 所以每一项相关的参数都得测量并及时准确的传输到控制中心， 便于分析当前井下环境的安 全程度，尽可能的避免煤矿事故。 3、测点分布广。测点分布不仅广，而且分布不均匀，从而使传感器信号和各种检测信 号传送变得复杂和困难。 4、需要中央监控室集中监测。系统观测项目多，测点分布广，一般设置在煤矿调度室 进行集中监测与控制，所以需要安全可靠的远距离传输。 这里列出部分的重要煤矿设备及其相关的测量控制参数。 考勤和巡检系统 实际上可以将考勤和巡检功能用一个系统来完成， 不必分成独立 的两个系统。该系统已使用到射频读卡技术。整个系统用于人员安全和记录管理。 安全环境监测系统主要用于测量自然环境参数，如甲烷（瓦斯）CH4浓度、一氧 化碳CO浓度，二氧化碳CO2浓度、风速风向、负压、温度、湿度、粉尘浓度等。 变电所电力采集器采集的电气参数为功率、电压、电流、电能等。非电气参数为 水仓液位、变压器油温、抽风机负压、料位等。 泵房控制器泵的开停控制，甲烷（瓦斯）CH4浓度、水位、湿度、粉尘浓度和风 门等。 皮带机因皮带机埋机头，拉断皮带等事故时有发生，所以对其保护应加强，实时 监控煤位、防滑、巷道通讯、烟雾浓度等。 工作面开停控制、甲烷（瓦斯）浓度、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度和风门等。 掘进头开停控制、一氧化碳浓度、湿度、粉尘浓度、风速、风筒和风门等。 这些系统可能来自不同的厂家，有不同的通讯接口，控制方式各异，那么给整体的管理 带来了极大的不便。即使采用统一的接口，传统的 RS-485 方式也已经不适合如此大型的整 体项目，当前形式迫切需要我们提出新的通讯解决方案。 1 广州致远电子有限公司工控事业部 Tel020 22644249 28872572 1.3 CAN-bus 总线特点总线特点 CAN（Controller Area Network）总线最早由德国 BOSCH 公司提出，主要用于汽车内部 测量与控制中心之间的数据通信。 由于其良好的性能， 在世界范围内广泛应用于其他领域当 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； 3、总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输； 4、非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高； 5、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； 6、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； 7、对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高； 8、具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制； 9、通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等； 10、CAN-bus 总线系统结构简单，性价比极高。 CAN-bus 用于煤矿通讯系统当中，不仅可以增强系统的通讯可靠性、延长系统的距离、 扩充系统的节点数， 还能增强系统的实时性， 让管理者和主控设备能及时了解和处理当前的 井下情况，发觉事故隐患，避免事故发生。 对于煤矿系统的本安要求，只需总线要 CAN-bus 设备的电源符合本安要求即可。现场 总线 CAN-bus 本身是符合本质安全要求的。 1.4 CAN-bus 总线与总线与 RS-485 通讯比较通讯比较 与通常应用的 RS-485 方式相比，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 可以直接采用 RS-485 方式相同的传输电缆、拓扑结构。 CAN-bus 总线与 RS-485 通讯方式的特性比较如下表 1 所示 表表 1 CAN-bus 总线与总线与 RS-485 通讯的特性比较通讯的特性比较 特性特性 RS-485 方式方式 CAN-bus 总线总线 拓扑结构 直线拓扑 直线拓扑 传输介质 双绞线 双绞线 硬件成本 很低 每个节点成本有所增加 总线利用率 低 高 网络特性 单主结构 多主结构 数据传输率 低 最高可达1Mbps 容错机制 无 由硬件完成错误处理和检错机制 通讯失败率 很高 极低 节点错误的影响 故障节点有可能导致整个网络瘫痪 故障节点对整个网络无影响 通讯距离 1.2Km 可达10Km（5Kbps） 后期维护成本 较高 很低 2 广州致远电子有限公司工控事业部 Tel020 22644249 28872572 通常的 RS-485 设备终端（或支持 Modbus 通讯协议）可以通过 CAN485MB 协议转换 器 协议转换 器接入 CAN-bus 网络，方便地实现网络更新与设备升级。同样，RS-232 设备终端（或支持 Modbus 通讯协议）可以通过 CAN232MB 协议转换器协议转换器接入 CAN-bus 网络。更多的应用软件 支持（包括虚拟串口 VCOM、基于 DLL 的 API 编程、基于 OPC 的组态开发）将使网络的 应用变得更加方便、灵活。 例如，CAN485MB 协议转换器采用表面安装工艺，板上自带光电隔离模块，实现完全 电气隔离的控制电路/CAN 电路，使 CAN485MB 协议转换器具有很强的抗干扰能力，可防 雷击，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。 CAN485MB 协议转换器 性能和技术指标 支持 CAN2.0A 和 CAN2.0B 协议，符合 ISO/DIS 11898 规范； 支持 1 路 CAN 控制器，波特率在 5Kbps～1Mbps 之间可选； 支持 1 路 RS-485 接口，波特率在 600bps～115200bps 之间可选； 双向环形 FIFO 结构的大容量缓冲区，保障实时突发大批量数据的可靠通讯； CAN-bus 接口采用光电隔离、DC/DC 电源隔离，隔离模块绝缘电压1000Vrms； 最高帧流量400 帧/秒（扩展帧，每帧 8 字节数据） ； 工作温度-20 ℃ ～ 85℃； 安装方式可选标准 DIN 导轨安装或简单固定方式； 物理尺寸100mm*70mm*25mm（不计算导轨安装架高度） 。 1.5 CAN-bus 应用实现应用实现 通常由于煤矿系统要求比较完整和智能化， 所以方案的完整性和可扩展性也是必须考虑 的。因此，本方案在设备层用 CAN-bus 进行通讯，在用户层由以太网进行管理。 网络的结构如图所示，以 A、B、C、D 四类主要的井下检测控制设备为例，每四个为 一组， 在井下有多个这样的设备组分布在不同的区域对设备和环境进行检测。 每个设备都挂 接在 CAN-bus 总线主线上，CAN-bus 总线的主线是一个直线拓扑结构，直线的两端称为终 端，各加一个终端电阻，网络的中间不加任何电阻。 3 广州致远电子有限公司工控事业部 Tel020 22644249 28872572 由于所有的设备都可以主动向总线上发送数据， 那么可以设置优先级， 重要设备的信号 优先级较高。同时为了防止 CAN-bus 总线负载过大，可以将一些必要的数据作实时发送， 而另一些数据在一定的管理机制下才能向总线发送数据， 比如主控制设备来查询的时候， 或 者按一定的时间间隔再发送。 有必要的话， 检测控制设备之间还可以进行相互的通讯。 井下设备和各级主控管理机的 通讯是通过 CANNET-E（CAN-bus 到以太网 EtherNet 的智能网关）来进行转换的，以便和 以太网 EtherNet 接口。 CAN 总线的传输距离随着波特率的降低而增长。当波特率为 5Kbps 的时候，不加中继 器的情况下可以达到 10Km。整个系统可以根据需要距离的长度而选择合适的通讯波特率， 另外总线通讯距离越长的时候要适当的加大双绞线的线径，降低阻抗以减小传输延迟。 当煤矿通讯网络需求达到更远的通讯距离（＞10 公里） ，或者终端数目较多（＞110 个） 时，安装 CANbridge 网桥网桥可以成倍地延长通讯距离，也可以成倍地增加 CAN-bus 网络中终 端设备的数目。 采用高强度、 防水防潮的屏蔽双绞线完全能够满足煤矿通讯领域的可靠性、 抗干扰性参 数等方面的需求。 在环境要求更高的场合，可以选择使用单模光纤作为 CAN-bus 总线的通讯介质，以实 现更远的通讯距离，更高的抗干扰能力；当然，采用光纤通讯会增加一部分 CAN-bus 网络 的设备成本。 1.6 应用成果应用成果 目前，基于 CAN-bus 网络的煤矿通讯网络已经在国内西南、西北、东北等多个地方煤 矿系统中获得了成功的应用。 广州致远电子发展有限公司 工控事业部 产品销售020-22644249 28872572 技术支持020-22644381 22644382 传真号码020-22644380 4