基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究罗曦

基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究罗曦
发布时间：2022-03-06T05:27:55.803Z 来源：《建筑模拟》2021年第12期作者：罗曦[导读] 煤矿生产系统中具有强大的特殊性，这也就代表着煤矿开采过程中可能导致其监测监控系统的发展态势相对不稳定，所以CAN总线的使用在煤矿监测监控系统中受到了广泛的应用，本文通过对煤矿使用CAN总线的监测监控系统进行了相应的探究，通过模拟设计CAN总线煤矿监测监控系统具有光纤自愈环结构的传输干线，提出了三种CAN智能调控的方案设计以及CAN/RS232网关线路设计。

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摘要：煤矿生产系统中具有强大的特殊性，这也就代表着煤矿开采过程中可能导致其监测监控系统的发展态势相对不稳定，所以CAN 总线的使用在煤矿监测监控系统中受到了广泛的应用，本文通过对煤矿使用CAN总线的监测监控系统进行了相应的探究，通过模拟设计CAN总线煤矿监测监控系统具有光纤自愈环结构的传输干线，提出了三种CAN智能调控的方案设计以及CAN/RS232网关线路设计。

关键词：现场总线；控制器局域网；监测监控；现场总线控制系统 0.引言
随着我国现代化国家建设进程不断发展，我国对煤炭能源消耗也越来越多，所以煤矿行业的创新发展与安全生产是势在必行的重要管理措施，在煤矿的生产系统中，监测监控是重要的安全生产组成部分，在传统的煤矿监控系统中是利用RS-485总线进行数据传输布置的，该总线有着传输速度较慢、传输距离较短、定位精度较低、集成度较低以及使用成本较高的特点，所以在煤矿监测监控系统中要顺应时代的发展，采用更高效的总线线路布置方式来进行设计。

在科技创新的发展前提下，CAN总线的特性要强于RS-485的性能，所以在煤矿监测监控系统中，应给予一定的创新设计，采用CAN总线提升监测监控系统的高效性能，同时CAN总线的设计中可以以STM32单片机为井下监测奋战控制核心，结合多传感器监测井下环境参数以及人员RFID定位，以CAN总线为主要传输路线，实现快速的动态人机交互模式。

以此为基础使煤矿监测监控系统更加高效、完善，实现可视化的安全管理模式。

1.煤矿监测监控系统状态
现如今，工业控制系统的建设得到了不断的发展，我们可以根据工业控制系统的发展阶段分为四个阶段来体现相应的控制系统建设，这四个阶段分别为模拟仪表控制系统建设、集中式数字控制建设、集散控制系统建设以及现场总线系统建设。

由于煤矿生产行业与其他工业相比具有相对独特的生产方式，很多适用于地面的监测监控设备难以在井下进行使用，这就导致了煤矿的监测监控系统呈现出跳跃式的发展态势，模拟仪表系统就很难在煤矿井下生产时使用，所以我国煤矿的监测监控系统建设直接跳过了模拟仪表系统建设阶段，直接引进了集中式数字控制阶段，直接发展到了DCS阶段，由于煤矿系统的监测监控的分布控制对通信的可靠性要求很高，所以衍生了DCS系统建设时采用相对封闭的专用网络实现监测监控，这样的情况就导致了网络制式被少数的公司垄断着，其系统制作价格也相当昂贵，直接导致了DCS系统的发展和推广缓慢。

2.煤矿监测监控系统缺点
由于科学技术发展迭代较快，在原有监测监控体系中进行创新需要耗费大量的人力物力，所以我国现有煤矿的监测监控系统中大部分都会存在几个重要的设计缺陷。

第一种缺陷是煤矿监测监控系统无法构成多主结构，不能在日常开采功能工作中满足分布式系统监控之间的互相通信过程，只能保持单一的监控数据，难以实现数据共通；第二种缺陷是主机缺陷，在老旧的监测监控系统中，老旧主机的功能难以实现主节点任务繁忙工作状态，一旦出现主节点繁忙就会容易引发系统瘫痪故障；第三种是数据通信方式缺陷，大部分陈旧的监控监测系统中使用的是命令响应式数据通信方式，这种数据通信方式的传输效率很低，工作人员在集控室不能第一时间收到故障数据的传送，难以实现快速开展抢修和救援工作；第四种是监测监控系统下端出现异常数据时，传输线路不能够迅速做出传输反应，传输灵活性较差，实时传输性不够完善。

综上所述，煤矿的监测监控系统缺点要在FCS针对DCS缺陷，将封闭和专用的控制网络标准化、公开化使用，遵守统一协议来自主规范自动设备管理，同时通过现场总线网络练成系统，实现自动化综合功能管理模式。

而传统的DCS几种和分散结合的集散系统结构就变成了现场总线的全分布结构。

FCS的出现，使我国煤矿企业的监测监控系统得以冲破单一公司的垄断局面，实现了更全面的跳跃式发展现状。

3.CAN系统设计构架 3.1现场总线和CAN总线
现场总线是通过连接煤矿系统现场设备和自动化系统的数字式双向传输通信结构，这种设计方式遵循ISO和OSI两种开放系统的互相参考模型，再全部引入通讯协议。

基于FCS的设计方案，将下层网络引入现场总线网络层，实现底层智能的I/O模块，进而全面控制各类智能化电子设备仪表和现场设备，实现通过现场总线控制底层的网络设计。

CAN总线在开发时被ISO制定为国际标准现场总线，他的设计理念采用了OSI模型中的物理层和数据链路层，在提高了实时性的同时还可以随时发送数据信息，支持点对点和一对多点的优先级设定，通信率和总长度都有很大的提升，目前CAN总线的短消息报文单个有效字节数仅为8个，而且还可以实现自动开启、关闭功能，有着极强的抗干扰能力和可靠性能。

3.2环形光缆干线结构
煤矿采矿生产过程中，调度和管理系统一般都是在地上，井下的监控系统一般都安装在通风、安全、环境以及皮带设备上，其控制终端一般也都在地上，煤矿的地上设备一般都会安装在一个调度室中，所以调度室便成为了地上的控制中心，根据控制中心，煤矿的监测监控网络会铺设为环形光纤传输网络，光纤传输有着容量大、抗干扰、防爆防尘的优点，在煤矿的监测监控系统中，将调度电话、工业电视等通讯设备与CAN总线综合在一条光纤网络上，使主干线形成环形管理结构。

3.3CAN智能节点实现方案
煤矿监测监控线系统使用CAN总线集散式分布设计后，在中线站可以对任意一路CAN节点进行检测、疲惫和组态，将其分散控制。

在CAN总线节点上，可以将所有的传感器、控制器以及执行器设置成独立的节点，通过相互通信监理连接，这个过程由组态软件来确定各设备的合作关系。

3.4CAN网关设计
在煤矿监测监控线系统中要设计新的系统时，首先要考虑对原有系统和设备的兼容能否利用，目前煤矿监测监控系统多使用RS-232和RS-485系统进行通信，为了实现CAN系统的兼容性，有必要的将其转换为CAN/RS-232/485网关。

在CAN总线控制器和收发电路中可以以RS232-485通讯接口，微处理器可以采用ATMEL公司的AT8951，将CAN与AT89C51的P0接口相接，实现CAN/RS-485网关连接。

4.结语
随着国家对安全生产的严格要求，煤矿行业开展自主安全生产监控是一项重要的工作，在现场总线的应用和普及发展中，CAN总线在煤矿FCS系统中成为了主流使用线路之一，其通信主干线采用了数字复接和光纤传输的自愈环结构，在针对不同方案的性能上有强大的监测监控能力和系统兼容性，是实现煤矿监测监控系统建设的关键技术。

参考文献：
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[2]孙祖宇.矿用CAN总线的PCI接口[D].北京：中国矿业大学机电工程学院，2002.
[3]何雄，刘涤尘，管保安.RS-232总线转CAN总线装置的设计与实现[J].功能工业控制计算机，2002，15（1）：11-12。