??? 摘? 要： 介紹了通過以太網Ethernet、現場總線CAN-bus" title="CAN-bus">CAN-bus、無線網絡的互聯，形成有2/3層架構的數據采集與控制網絡，從而構建符合國家煤安要求的煤礦遠程通訊網絡。
??? 關鍵詞： 現場總線? CAN-bus? 煤礦通訊" title="煤礦通訊">煤礦通訊? 本安? 以太網? 網關
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??? 煤礦生產是與國計民生密切相關的一個領域。其中，煤礦安全無疑是人們關注的熱點之一。安全問題不僅影響到社會經濟，更關系到每個礦業人員的生命安全。但目前在我國煤礦系統中，不少煤礦原有的各類獨立設備已經不能夠滿足現代化煤礦生產的需求。因此，組建一個技術先進的煤礦通訊網絡，對煤礦的工作人員、現場環境參數進行監測和控制，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據/信息管理系統，是煤礦行業的發展大趨勢。
??? 煤礦通訊主要涉及兩個方面：考勤和巡檢系統；作業現場環境監測。
??? 按國家對煤礦企業中現場通訊設備的參數要求，目前在煤礦行業中，常見的通訊方式有：串行通訊RS-485、現場總線CAN-bus、調制解調Modem、無線通訊等幾種方式。本文將對比這幾種通訊方式，并結合實際項目的運行經驗，從而匯總一些煤礦行業應用現代化通訊的特點和優勢，并重點介紹現場總線CAN-bus的主要優勢。
1 煤炭行業中常用的通訊方式
1.1 串行通訊RS-485
??? RS-485是一個串行通訊的電氣標準,它具有如下優點：(1)支持多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。(2)是一種實現成本較低的多點網絡通訊方式，通用RS-485收發器的價格低于10元/個。(3)是最常見的通訊方式之一，單一網絡能夠連接32個節點，通訊距離達到1200米。(4)RS-485設備可以基于普通單片機的UART端口進行開發，電路設計簡單。
??? RS-485標準不足之處是：在比較復雜的網絡結構中，難以保障數據的實時性、網絡的可靠性。而最新的行業標準中，要求煤礦設備能夠在不加輔助網橋" title="網橋">網橋的情況下，連接長達4千米的網絡，這是RS-485標準難以逾越的技術鴻溝。因此，RS-485標準在煤礦行業出現的機會將越來越少。
1.2 調制解調
??? 調制解調(MODEM)即利用模擬信號" title="模擬信號">模擬信號傳輸線路來傳輸數字信號。調制的過程，即發送方將數字信號“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；解調的過程，即將來自模擬傳輸線路的模擬信號“翻譯”回數字信號，供接收方閱讀并處理。最常見的產品是：PC機調制解調器和利用電話線路實現電腦上網。
??? 調制解調方式雖然能夠實現遠距離的數據通訊，但是，構建多點網絡比較麻煩，以及硬件設備成本較高限制了調制解調方式在煤礦行業中的應用。
1.3 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、低功耗、雙向傳輸、高可靠度、自動感應網絡功能等特性。
??? ZigBee技術是近幾年才發展起來的新技術，主要應用在監測、控制與自動化等場合。但目前由于ZigBee產品的開發成本較高，且只適合短距離、小范圍內通訊；雖然已在煤礦行業有了一些研究性質的探索與應用，但主要集中在人員考勤與RFID識別類產品上，屬于小范圍現場網絡，并不真正能夠滿足煤礦行業較多設備聯網的應用。
??? 與ZigBee的應用相類似，已在煤礦行業進入批量應用的無線通訊的還有433MHz的nRF無線數傳技術，但也屬于短距離無線數據通訊，也主要被用在人員考勤與RFID識別上。
1.4 現場總線CAN-bus
??? CAN-bus（Controller Area Networkbus）總線最早由德國Bosch公司提出，主要用于汽車內部單元與控制中心之間的數據通訊。由于其良好的性能，被廣泛應用于其他領域中，如工業自動化、汽車電子、樓宇建筑、電梯網絡、電力通訊和安防消防等諸多領域，并逐漸成為這些行業的主要通訊手段。
??? 現場總線CAN-bus的特點：
??? (1)國際標準的工業級現場總線，傳輸可靠、實時性高。
??? (2)傳輸距離遠（無中繼時最遠10千米）、傳輸速率快（最高1Mbps）。
??? (3)單條總線最多可接110個節點，并可方便地擴充節點數。
??? (4)總線上各節點的地位平等，不分主從，突發數據可實時傳輸。
??? (5)非破壞的總線仲裁技術，可多節點同時向總線發送數據，總線利用率高。
??? (6)出錯的CAN節點會自動關閉并切斷和總線的聯系，不影響總線的通訊。
??? (7)報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低。
??? (8)對未成功發送的報文，硬件有自動發送功能，傳輸可靠性很高。
??? (9)具有硬件地址濾波功能，可簡化軟件的協議編制。
??? (10)通訊介質可用普通的雙絞線、同軸電纜或光纖等。
??? (11)總線系統結構簡單、性價比極高。
??? 從以上分析可見，現場總線CAN-bus在網絡開放性、通訊可靠性、網絡通訊距離、網絡節點數目、數據傳輸實時性、系統設計成本等方面都具有很大的優勢。因此，當CAN-bus應用于煤礦通訊系統時，立即獲得了廣大設備用戶的認可，成為煤礦行業中首選的設備通訊網絡。通過由CAN-bus構建的煤礦現場設備網絡，管理者和主控設備能即時地了解、處理當前的礦井情況，尋找事故隱患，避免危機的發生。
2 煤礦通訊中使用CAN-bus的技術要素
2.1 本質安全
??? 在石油、化工等過程測量與自動化控制系統中，可能出現潛在的爆炸性環境，在實踐應用中設計人員必須對系統中的現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展，在全球范圍內已廣泛接受的電氣設備防爆技術有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本質安全(Ex i)、正壓(Ex p)、澆封(Ex m)和無火花(Ex n)等。在眾多的防爆技術中，本質安全(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點，同時它也能用于0區危險場所。因此在低壓、低功率電氣設備、儀器儀表等領域內，它是首選的防爆技術。然而，本安防爆實質上是系統防爆，其防爆性能不僅與關聯設備有關，而且也與相應設備有關。
??? 煤礦行業的通訊設備必須符合《GB3836 爆炸性氣體環境用設備》標準，簡稱為“煤安”標準。
??? 現場總線CAN-bus的傳輸介質可以是雙絞線，同一網絡可以連接110個設備；通訊報文以差分信號的形式進行傳輸。常用CAN-bus收發器的電壓、電流參數如表1所示。
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??? 煤礦行業中，構建CAN-bus網絡的常用CAN-bus設備的功耗指標如表2所示。
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??? 由表1、表2可見，基于現場總線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爆炸性氣體環境中。
2.2 通訊距離
??? 煤礦行業的通訊網絡涉及礦上通訊、井下" title="井下">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絡，井下礦道通訊距離可能需要達到20千米，甚至更遠。
??? 現場總線技術中，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總線的通訊距離可以達到10千米，若安裝1個CANbridge網橋，通訊距離可以延長一倍，并可增加連接一倍的CAN-bus節點數目。
??? 煤礦行業建立CAN-bus網絡時，根據現場的通訊距離、數據流量等需求參數，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網橋、CANET-E網關都可以支持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網絡的傳輸介質，該類型的電纜線特性：雙絞線、直徑1.5mm2、電阻12.1Ω/km，電感800mH/km，電容0.06μF/km。符合該參數的礦用阻燃電纜可以在5Kbps的速率下達到6~7公里的通訊距離。
2.3 網絡布線
??? 煤礦行業的礦井結構比較復雜，一般都存在較多的分支巷道，多為樹形結構或者魚刺形結構。通常的CAN-bus總線型拓撲結構并不適合礦井內的通訊布線；但是，通過在合適位置安裝CANbridge網橋，改變整個網絡的拓撲方式，形成樹形拓撲或星形拓撲，既方便施工與布線，節省電纜成本，又可以提高通訊效率，增加網絡整體連接設備的能力。
??? 圖 1是一個煤礦井下礦道的CAN-bus網絡布線實例，說明了CANbridge網橋在井下礦道的應用，以及如何合理地改變CAN-bus總線的拓撲結構。
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??? 終端電阻的連接也是CAN-bus網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，而對于主干線上的其他任何設備不用接終端電阻；對于連接到CANbridge網橋的CAN-bus分支線網絡，同樣必須在最遠兩端各接一個120Ω的終端電阻。
3 煤礦通訊的CAN-bus應用實例
??? 目前，煤礦行業的通訊網絡主要用于實現兩個方面的功能：考勤和巡檢系統、作業現場環境監測系統。下面將介紹已經成功投入運行的應用實例。
3.1 考勤和巡檢系統
??? 井下監控系統實現對煤礦井下的目標監測/跟蹤自動化、信息化管理。通過對煤礦井道內遠距離移動目標進行非接觸式的信息采集處理，實現對井下人員的考勤，以及井下的人員、車輛、物料在不同狀態下的自動識別。
??? 近年來，RFID識別已經成為煤礦行業中人員考勤與巡檢系統的主流技術。當帶有個人信息的RFID卡進入RFID讀卡器的識別范圍時，RFID讀卡器將讀取RFID卡片信息，再將卡片信息通過CAN-bus網絡傳輸到數據處理中心。
??? RFID讀卡器的識別范圍容易受外部環境影響，識別距離在幾十米以內。因此，需要合理地設置RFID讀卡器的間距，一般應用中，每間隔50米的礦道就安裝一個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，構成一個具有CAN-bus通訊接口的RFID讀卡器，通過CAN-bus網絡傳輸RFID卡信息。采用CSM100模塊建立CAN-bus的通訊網絡如圖2所示。
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3.2 安全參數檢測
??? 煤礦礦井內需要檢測的各種環境參數有：溫度濕度、氣體濃度、粉塵濃度、電力設備參數、運行機構參數等。這些參數，通過安裝在各控制點的監測傳感器，轉換成4~20mA電流環信號，然后通過信號電纜集中傳送到環境參數采樣設備。每一個環境參數采樣設備都可以連接多達8路的4~20mA電流環信號。使用4~20mA電流環信號，傳輸距離可達數百米，最遠可以達到2公里。監測傳感器、傳輸電纜、采樣設備等多個因素共同決定了環境參數模擬信號的采樣精度。
??? 環境參數采樣設備與CAN-bus網絡的連接可以有以下幾種方式：
??? (1)集成CAN-bus通訊電路的采樣設備直接連接到CAN-bus網絡，其設備地址、通訊速率等參數通過外部的撥碼地址開關設定，方便現場調節。
??? (2)集成RS-232通訊電路的采樣設備通過CAN232MB轉換器連接到CAN-bus網絡，采用透明轉換方式，需要事先人工設定RS-232通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設惟一的設備單元地址。
??? (3)集成RS-485通訊電路的采樣設備通過CAN485MB轉換器連接到CAN-bus網絡，采用透明轉換方式，需要事先人工設定RS-485通訊速率和CAN-bus通訊速率，可以增設惟一的設備單元地址。
??? 煤礦礦井內的所有環境參數采樣設備都連接到同一個CAN-bus網絡，并通過同一級網的CAN-bus網橋(采用光纖通訊或雙絞線通訊介質，用于延長通訊距離)和上一級網的CANET-E網關(用于轉換成以太網Ethernet數據)，連接到煤礦井上的主控PC機。基于CAN-bus的環境參數監測系統如圖3所示。
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??? 利用現場總線CAN-bus，可以方便地構建起煤礦行業的井下通訊主干網絡。同時，作為現場總線CAN-bus網絡的一個設備節點，CANET-E網關可以與以太網實現互連互通，從而將現場總線CAN-bus接入無處不在的Internet網絡，實現數10千米以外，乃至整個地區的運行數據的采集和管理，滿足煤礦行業現場數據的現代化管理要求。同理，井下的CAN-bus設備節點可以與Wireless網絡實現互連互通，從而構成小范圍的無線數據采集(主要是RFID采集)網絡。煤礦行業的CAN-bus網絡正朝著三層網絡的方向發展，其結構如圖4所示。
??? 采用光纖通訊的CAN-bus網絡也是煤礦行業通訊網絡的一個發展趨勢。與傳統的雙絞線傳輸方式相比較，光纖的低傳輸損耗使傳輸距離大大增加，更適應煤礦行業中一些遠距離傳輸的需求。另外，光纖還具有不輻射能量、不導電、沒有電感，且光纖中不存在串擾以及光信號相互干擾的影響，有著優良的抗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。因此，一段時期內，光纖通訊方式、雙絞線通訊方式的兩種CAN-bus網絡將并存于煤礦行業中。
參考文獻
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