CAN总线技术煤矿安全

CAN总线技术煤矿安全（精选7篇）

CAN总线技术煤矿安全 篇1

CAN是一种串行通讯网络, 是指控制器局域网, 可实现分布式的实时控制, 与其它通讯网络技术相比, CAN的优点体现出简洁的反馈信息、远距离的传输、较低的传输错误率、较高的传输效率、高可靠性、纠错能力强等多个方面, 故在煤矿安全监控管理中采用CAN总线技术有着重要的现实意义。

1 CAN总线与煤矿安全监控系统

CAN为串行通信协议, 可有效支持分布实时控制, 体现出较高的安全等级。CAN应用系统的设计要以CAN技术规范为基本依据, 在任何两个基于CAN总线的仪器之间建立兼容性, 对传输层进行规范定义, 在周围各层当中将CAN协议的作用充分发挥出来。CAN的主要特点体现在以下几个方面: (1) 多主工作方式, 即网络上任意一节点在任意时刻均可向其它节点主动发送信息, 各节点之间不存在主从关系;而报文标识符方面, CAN可以将各个节点分为不同优先级, 可更好满足不同的实时要求。 (2) CAN采用非破坏总线仲裁技术, 该技术可以保证网络在负载较大的情况下保持稳定性;直接通讯距离可以速率低于每秒5kb的状态下达到10km。 (3) 由于报文采用的是短帧结构, 故不易受干扰, 传输时间短;CAN总线驱动器电路决定了网络中的节点数。 (4) CAN每帧信息均有CRC校验及其它检错措施, 这些可靠的检错措施组成了系统可靠的错误处理及纠错机制。即使错误非常严重, CAN也具备自动关闭输出功能;发送的信息遭到破坏后可自动重发。由此可见, 与一般的通信总线相比, CAN采用了许多新技术及新设计, 体现出较强的可靠性、实时性及灵活性。在煤矿安全监控管理中应用CAN总线技术, 可以实现对任意一路CAN任意节点的检测、配置、组态, 系统中的传感器、控制器、执行器均为互相独立的节点, 真正做到分散控制、互相通信。

2 基于CAN总线技术的煤矿安全监控系统设计

基于CAN总线技术的煤矿安全监控系统共包括三大部分, 即煤矿安全监控智能决策与管理系统、矿井网关及多矿井分布式监控子网络, 下文分别进行介绍:

2.1 煤矿安全监控智能决策与管理系统

煤矿安全监控智能决策与管理系统采用实时在线智能管理控制系统—因特摩系统来实现, 其将包含了专家系统、智能搜寻器、自动机器翻译及计算机视觉等技术的智能系统与因特网、通信技术、自动化技术、实时数据处理技术及数据库技术等结合在一起, 实现对工业生产现场的智能监控。在煤矿安全生产中应用因特摩技术, 可获取更多事故预报的私有知识, 以起到预报事故的作用, 为安全生产管理者提供更多的参考信息, 提高决策管理的针对性, 将事故控制在萌芽状态。该模块包括分站监控机、主监控机及分布式系统, 井下数据采集系统主要负责采集工作现场的实时数据, 经网关提交至各分站监控机智能决策及管理系统, 分站监控机分析后, 将处理过的信息提交至主监控机与服务器, 最终得出相关决策及措施, 对应设备接收到相关控制信息后做出反应, 实现矿井安全的智能决策与管理。

2.2 矿井网关

矿井网关的主要作用是连接以太网及CAN总线。此处采用AT75C220芯片, 该芯片具有两个以太网接口, 并具备语音处理功能;该芯片嵌入网关, CAN总线通过网关连接以太网, 由此可见, 该模块中AT75C220处理器是关键部分。该芯片具有双MAC以太网端口及桥接器, 用于连接以太网, 其DSP语音处理功能可在以太局域网中接入电话。CAN控制器选择菲利浦公司生产的SJA1000、PCA82C250, 其支持CAN2.0B通信协议, 可实现对总线的差动发送及对CAN控制器的差动接收。以太网TCP/IP协议与CAN协议的转换是通过AT75C220芯片在网络层完成的, 并通实现以太网与CAN总线网络的通信及互联。以太网接收IP包, 拆包后取出数据, 再按照CAN通信协议重新组成帧, 发送至接入设备。通过该网关即可实现CAN总线设备与以太网的通信。

2.3 井下分布式控制子网

井下分布式控制子网是整个煤矿安全监控系统的核心部分, 其包括数据采集系统、各类控制设备及报警设备及分站监控机通信系统。数据采集系统的主要作用是对井下生产及工作环境进行监测, 获得原始的现场数据, 分站监控机通信系统的主要作用是将井下现场采集的数据与设备的运行状态信息传输至井上。通过单片机、独立CAN控制器所组成的接口模块, 井下数据采集设备、各类生产设备、安全设备、控制设备及报警设备等才可实现与CAN总线的通信。井下数据采集设备采集各安全指标模拟量及各个开关状态量后, 再通过CAN通信及接口模块将这些数据发送至CAN总线;此外, 通过CAN通信及接口模块, 井下生产设备及安全保障设备实现了与CAN总线与现场控制及报警器的连接, 以便实时监控设备的运行状态。

3 结束语

总之, 现有煤矿安全监控系统存在设备通信协议标准不统一、系统扩展及升级能力差的特点, CAN是一种有国际标准的现场总线技术更好地解决这一问题, 实现了在监控节点多、分布广、监控距离远的情况下保证监控系统实时性的煤矿安全管理要求。

摘要：煤矿安全问题一直以来都是全社会关注的焦点问题, 而提高煤矿井下监控系统的实时性、安全性、稳定性, 是提高煤矿安全管理的重要手段。对于煤矿安全监控系统而言, 煤矿井下工作环境具有现场复杂、设备分布分散、环境恶劣等特点, 因此会对煤矿井下监控系统的可靠性及稳定性产生直接影响。与其它技术相比, CAN总线技术体现出通信速率快、传输距离长、容纳节点多等优势, 故在煤矿安全监控系统的应用越来越广泛。文章针对煤矿安全监控系统中CAN总线技术的应用进行研究。

关键词：CAN总线技术,煤矿安全,监控系统

参考文献

[1]朱志松, 龚晓燕.基于CAN总线的SCADA系统电气设计[J].制造业自动化, 2014, 12:243-244.

[2]崔清玲.P87C591在机舱监测报警系统中的应用[J].舰船电子工程, 2014 (5) :135-136.

[3]刘双全.基于飞利浦P8XC591的CAN总线节点扩展[J].电子设计应用, 2013 (3) :89-90.

[4]饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2013:1231.

[5]顾洪军.工业企业网与现场总线技术及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2012:882.

CAN总线技术煤矿安全 篇2

1 煤矿通信的特点

与其它行业的通信系统相比, 煤矿通信具有以下几个方面的特点:首先, 环境恶劣。系统观测点多数均位于井下及高压设备环境中, 日常工作均处于较强的电磁辐射及潮湿腐蚀的状态, 恶劣的工作环境不仅会影响到现场检测的准确性, 而且会干扰数据传输。其次, 检测对象种类多。由于矿井下的危险因素比较多, 很多环境参数可能会与事故的发生与发展有直接相关性, 比如通风不足会导致瓦斯浓度升高, 达到一定程度可能发生爆炸;再比如一氧化碳可能会导致工作人员中毒等, 因此煤矿安全监测系统必须准确测量每一项安全参数, 并准确的传输至控制中心, 以保证煤矿生产的安全性。最后, 测量点分布广泛。煤矿生产范围大, 监测系统必须广泛分布于各个测量点, 才可以保证监测范围更加全面, 这也就无形中增加了传感器信号及其它检测信号传送的复杂性, 对远距离传输的安全性、可靠性要求也更高。

2 CAN总线技术概述

CAN总线技术是德国Bosch公司推出的一种现场标准, 属于工业现场总线的范畴, 即控制器局域网络, 是一种串行通信总线, 其可实现点对点、一点对多点的通信, 与其它总线技术相比, CAN具有较强的实时性与要靠性, 且可以实现远距离传输, 并获得较高的数据传输速率。并且系统结构简单、成本相对更低, 因此在各个行业领域的应用越来越广泛。在矿井生产中, CAN总线采用的是双绞线介质, 采用差分电压进行信号采集, 保证了系统数据良好的抗干扰性能, 因此是矿井安全监测系统中理想的总线技术。在矿井安全监测过程中, 温湿度、可燃气体的含量是重要参数, 井下保持正常的温湿度, 可降低矿井火灾发生的机率, 而且工作人员处于正常的工作环境中, 其工作效率也更高;监测可燃气体的主要目的是防止瓦斯爆炸, 如果空气中的可燃的气体浓度过高, 则系统传统器就会监测到, 并根据设定值发送警报, 便于管理人员采取有效的应对措施。

3 煤矿井下安全监测系统中CAN技术的应用

本研究以某矿井为例, 对其安全监测系统设计进行分析。

3.1 硬件设计

基于CAN技术的安全监测系统主要包括微处理器模块、CAN总线模块及滤波器。根据煤矿井下环境要求, 本系统的通信管理机CPU选择ATMEL公司的8 位高性能嵌入式微处理器ATmega64, 其采用单循环周期指令, 可获得较快的执行速度, 而且稳定性强, 可以满足通信管理机的要求。CAN总线上数据收发采用中断的方式, 以保证通信管理机的实时性;ATmega64 共提供2 个串口, 其中一个通过Max232 提供RS-232 串行通讯口, 另一个串口则留作备用, 实现双机备份功能。CAN控制器SJA 1000 及CAN收发器MCP2551 实现CAN总线模块的CPU与CAN总线的连接, 单片机I/O口与SJA1000 的各个引脚相连接, 实现数据传输及总结控制。SJA 1000 在扩展模式下可以选择单滤波器模式或双滤波器模式, 该系统选择单滤波器模式。CAN总线上协议规定把广播节点发送的数据帧过滤器中的一个数据帧设定为接受任何标识符节点, 当广播节点将数据发送至总线时, 总线上各个节点均可接受到其所传输的数据。

3.2 软件设计

监测系统的软件设计采用模块化的编程方法, 根据不同的功能将不同的模块划分开来, 并按层次结构组织起来, 以提高编程效率及系统运行效率, 且后续的升级、扩展也更加便利。

(1) 主节点程序:地面监控中心要求间隔1s即获取一次井下数据, 因此各个子节点向主节点传送数据的周期也是1s, 相应的, CAN总线的总线周期即为1s。在系统运行过程中, 系统广播帧、控制参数通讯帧等信息会由主节点在每个总线周期内发送至各个子节点, 按照发送帧的顺序, 子节点再将对应的采样数据传递出来。由此可见, 子节点是按照不同的节点编号来决定传递的优先级别, 面子节点的发送周期则由节点数量来决定。当然, 实际工作中, 需要根据实际情况动态调整节点数据, 如果CAN总线的节点数量减少, 相应的系统波特率也会发生变化。

(2) 子节点程序设计:确认帧由主节点发送完毕后, 通用子节点的AD采样模块启动进行持续的数据采集, 在接收到主节点发送的数据请求命令后, 通用子节点的控制定时器即刻起动, 向主节点逐帧发送测量数据, 整个过程均处于发送周期内。数据帧发送完成后检测CPU复位情况。

(3) 软件抗干扰措施:由于监测系统处于一个十分复杂的工作环境, 虽然硬件设计时采用了抗干扰措施, 但是抗干扰不能完全依靠硬件来解决, 软件抗干扰措施十分必要。首先开发自检程序, 对单片机系统的硬件、软件状态进行检测;其次采用软件滤波功能, 使用软件检测算法可以解决原来硬件电路无法实现的信号处理问题, 各个测量环节硬件本身存在的缺陷或弱点均可以通过软件检测算法克服或弥补, 以提高系统的综合性能。本系统采用的是算术平均值滤波法, 该方法是将输入的N个采样数据进行求和, 再将所得数据除以采样次数, 最终得出本次采样的有效数据。

总之, CAN总线是一种面向一般工业设备的高速通信总线, 其具有实时性高、数据精简的特点, 在特殊的煤矿井下工作环境中, 在煤矿安全监测系统中应用CAN总结技术是切实可行的, 且应用前景十分广阔。

摘要：矿井工作环境恶劣, 矿井安全监测系统的主要作用就是持续监测到诱发矿井灾害的安全隐患问题, 并及时采取安全处理措施。基于CAN总结技术的矿井安全监测系统, 大大提高了系统的响应速度, 保证安全问题监测的实时性、稳定性及安全性, 从而有效降低矿井事故发生率。文章就针对CAN总线技术在煤矿井下安全监测系统中的应用进行探讨。

关键词：矿井,安全监测系统,CAN总线技术

参考文献

[1]王跃东, 杨卫波.CAN总线技术在煤矿监测系统中的应用研究[J].煤炭工程, 2014 (5) :107-108.

[2]饶运涛, 邹继军, 郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2013.

CAN总线技术煤矿安全 篇3

关键词：CAN总线,监测系统,煤矿井下

CAN是Controller Area Network的缩写, 是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中, 出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求, 各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及其对可靠性的要求不尽相同, 采用多条总线进行通信的情况很多, 线束的数量也随之增加。为适应“减少线束数量”、“通过多个LAN进行大量数据高速通信”的需要, 1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后, CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化。现在, CAN的高性能和可靠性已被认同, 并被广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域。

近年来, 随着煤矿事故的频频发生, 国家对煤矿安全监测也有了更高的要求, 由于其自身特点, CAN总线又被广泛应用于煤矿井下监测系统。

1 CAN总线特点

CAN总线属于总线式串行通信网络, 总线上最多可连110个节点, 通信速率可达1 Mbps。CAN协议废除了传统的站地址编码, 而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制, 数据块的标识码可由11位 (CAN2.0A协议) 或29位 (CAN2.0B协议) 二进制数组成。这种按数据块编码的方式, 还可使不同的节点同时接收到相同的数据, 这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8 Byte, 可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时, 8 Byte不会占用总线时间过长, 从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能, 保证了数据通信的可靠性。CAN总线极高的可靠性和独特的设计使它特别适用于工业过程监控设备的互连, 因此, 它在工业领域的应用越来越广泛。

2 监测系统总体结构

煤矿井下安全监测系统由井上通信系统和井下通信系统 (监测网络) 组成。CAN总线包含2层通信网络: (1) 数据接口和井下监测分站之间的通信; (2) 井下监测分站与各种安全监测传感器之间的通信。

3 监测系统硬件设计

3.1 微处理器系统

根据煤矿井下环境的要求, 这里选用了ATMEL公司的8位高性能嵌入式微处理器ATmega64作为通信管理机的CPU。首先, ATmega64的执行速度快, 采用了单循环周期指令, 而且性能稳定, 完全可以满足通信管理机的要求;CAN总线上数据收发采用中断的方式, 提高了通信管理机的实时性;ATmega64提供了2个串口, 一个串口通过Max232提供RS-232串行通讯口, 另一个串口备用, 实现双机备份功能。

3.2 CAN总线模块接口

CAN总线模块的CPU通过CAN控制器SJA1000及CAN收发器MCP 2551连接到CAN总线上, 单片机的I/O口连接SJA1000的AD0～AD7以及ALE、CS、RST、RD和WR等引脚, 进行数据传输和总线控制。SJA1000的TX0、RX0分别接CAN收发器MCP2551的TXD和RXD引脚, 进行数据的收发。MCP2551是CAN协议控制器和物理总线的接口, 提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

3.3 CAN总线上滤波器的设置

SJA1000至多可提供4 Byte验收码以及4 Byte屏蔽码, 验收码和屏蔽码组成的滤波器相当于确定了该节点的地址;数据帧中的标识符相当于该数据帧的目标地址, 由滤波器来确认是否接受总线上的数据。SJA1000在扩展模式下, 滤波器可以设置为单滤波器模式或双滤波器模式。该系统设计选用单滤波器模式。在CAN总线上, 协议规定将广播节点发送的数据帧过滤器中的一个设定为接受任何标识符节点来的数据帧, 这样当广播节点把数据发送到总线上时, 总线上各节点就可接受来自该广播节点的数据。

4 监测系统软件设计

煤矿井下监测系统是一个非常庞大的系统, 包括对井下CH4、CO、O2、CO2等气体浓度的检测, 对风速、风量、气压、温度、粉尘浓度等环境参数的检测, 对生产设备运行状态的监测、监控等, 内容、结构非常复杂, 一旦通信出现故障, 后果将非常严重, 根据以上分析, 主通信选择CAN总线, 所以, 下面主要介绍一下CAN总线的工作流程, 如图1所示。

5 CAN总线性能测试

连接被测试设备, 检查无误, 接通电源, 系统初始化完毕。测试采用BER误码率测试软件, 上位机软件通过RS-232串口定时1 s向数据接口发送80个随机数据, 并将发送的数据显示在窗口, 同时显示发送的数据个数。数据接口接收到数据后按CAN协议进行数据打包, 然后发送给监测分站。数据接口与监测分站之间连接10 km仿真线, 监测分站将收到的数据原样传送给传感器。而后, 传感器再将收到的数据返回给监测分站, 分站将数据返回给数据接口, 数据接口将收到的数据解包, 通过RS-232送回上位机。上位机将收到的数据与发送的数据逐个比较, 若80个数据完全吻合, 则将显示收到的数据以及正确数据个数, 并根据发送与收到正确数计算误码率。该软件可同时记录测试的时间。

以上试验连续进行9天, 共计216 h, 传输数据5×108个, 误码率为0。试验证明, CAN总线性能可靠、稳定, 是一种理想的通信总线。

6结语

CAN总线技术煤矿安全 篇4

为提高煤矿矿井安全, 越来越多的环境信息需要被检测。传统的矿井环境参数是由单个传感器来完成的, 但由于煤矿井下环境的生产条件恶劣, 检测到的有用信号常常因为干扰信号而存在一定的误差, 如果某处的传感器出现故障, 亦无法检测到该位置环境参数数据, 导致出现虚警、误警, 甚至不报警现象;同时对检测到的种环境参数数据进行的是简单处理, 对井下环境的实时安全状况评估不准确, 不能及时采取相应的有效措施, 有可能造成矿难事故的发生[1]。

在信号检测过程中, 还存在的主要问题: (1) 网络结构与通信方式不规范。原有的系统中都有自己独立的通信系统, 并且网络结构和通信模式多样, 每种系统都需要建立自己的网络, 造成重复投资, 通信资源利用低下; (2) 传输数据效率低; (3) 抗干扰能力和实时性差; (4) 缺乏统一的通信协议及信息交换标准。

本设计应用多传感器信息融合和CAN总线技术组建矿井环境监测网络, 克服单个传感器的弊端和现有检测的弊端, 为煤矿安全生产和矿工的生命安全提供保障。

1 煤矿井下环境监测中的多传感器信息融合

1.1 煤矿井下环境监测中的多传感器信息融合的结构

煤矿井下环境监测的主要是矿井大气中瓦斯浓度、一氧化碳、风速、粉尘和温度等环境参数。这些环境因素超限时都会给煤矿安全生产和矿工的生命造成威胁[2]。将这些环境参数作为多传感器信息融合的信息源进行矿井环境的多传感器信息融合。瓦斯浓度、一氧化碳、风速、粉尘和温度每一个参数由不同的传感器进行采样, 首先相同类型的传感器进行一级信息融合, 然后不同类型的环境参数进行二级信息融合。在二级信息融合中, 需要根据矿井环境数据库, 进行信息协调管理[3,4]。

1.2 煤矿井下环境监测中的多传感器信息融合的融合方式

1.2.1 一级信息融合的融合方式

对于多传感器的检测信息, 由于各个传感器的测量精度和测量环境不同, 测量的准确性必然存在差异, 需要针对各个传感器在检测系统中所处的地位和检测的准确性, 有选择地对传感器的重要性加以区别。本研究采用的自适应加权数据融合算法。对于不同的传感器都有相应的权数, 在总均方误差最小这一最优条件下, 根据各个传感器得到的测量值以自适应的方式找到其对应的权数, 使融合后的数据达到最优。

1.2.2 二级信息融合的融合方式

在二级信息融合, 由于是不同类型的传感器, 一般不采用一级信息融合中的的自适应加权数据融合, 而是采用高级算法, 本研究采用BP网络的算法进行融合。本研究采用三级BP网络 , 其中输入级为5个节点, 分别表示矿井大气中瓦斯浓度、一氧化碳、风速、粉尘和温度信息, 输出级为5个节点, 分别表示安全、较安全、一般安全、较不安全和不安全5种判断结果。考虑到计算速度和实际需要, 中间节点为7个, 因此本研究采用BP网络为5-7-5的结构。

2 基于 CAN 总线的煤矿井下环境监测网络的设计

2.1 基于 CAN 总线的煤矿井下环境监测网络组成

网络主要由PC机、中继器和智能节点组成。通讯介质采用双绞线。同根据巷道分布情况, 布置了多个CAN智能节点, 分别位于大巷、顺槽、综采工作面和连采掘进工作面等地。网络结构图如图1所示。

2.2 CAN 总线中继器的实现

在某些煤矿井, 特别是一些老矿井, 最远的工作面距离井筒位置可达三、四十公里。要解决CAN总线远距离通信问题, 必须使用合适的中继器。CAN总线中继器由两个总线收发器82C250和两个单片机构成。

2.3 CAN 智能节点的设计

CAN智能点的主要功能是完成井下环境参数的检测及将数据传送到上位机。命令由上位机经过CAN总线传输到每个现场智能节点, 只能节点采集数据经过CAN总线传送到上位机。CAN智能节点以51单片机AT89C52为核心。

3 结论

本研究将多传感器信息融合和CAN总线技术在矿井环境监测中的应用, 克服了传统传统矿井监控中的问题, 减少了判断的时间、提高了判断的精度, 为矿井安全提供信息保障。

摘要：为提高煤矿矿井的安全和生产效率, 大量信息需要检测、传输和预处理。为解决多信息和复杂环境下传输的问题, 将多传感器信息融合技术和CAN总线技术用于煤矿井下环境监测, 减少了判断的时间、提高了判断的精度, 为矿井安全提供信息保障。

关键词：多传感器信息融合,CAN总线,煤矿矿井

参考文献

[1]王汝琳.矿井环境监测与仪表[M].中国矿业大学出版社, 1987.

[2]阎馨, 屠乃威.基于多传感器数据融合技术的瓦斯监测系统[J].计算机测量与控制, 2004, 12 (12) :1140-1142.

[3]彭力.信息融合关键技术及其应用[M].冶金工业出版社, 2010.

CAN总线技术煤矿安全 篇5

在煤矿供电系统中, 从地面变电所到井下中央变电所, 再到各级配电所及用电设备, 均有高低压配

电开关。近年来, 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, 要求及时了解与查询现场电力开关等电力设备的安全测控信息。目前, 煤矿的配电开关均使用了微电脑智能控制设备, 能根据各路负载的异常情况智能通断, 但无法将开关的实时状况传送至地面, 不利于统一管理和提前发现、及时处理故障, 容易造成严重的安全事故, 因此, 迫切需要一种新的远程通信方案, 以解决配电开关状态信息的远传问题。

CAN总线是当前流行的一种性能比较先进的现场总线技术, 是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。笔者根据实际工作经验, 研制了基于CAN总线的煤矿远程电力通信系统, 较好地解决了煤矿供电系统中电力开关远程监控的问题。

1CAN总线概况

CAN (Controller Area Network) 即控制器局域网, 遵循现场总线协议, 可将不同厂家生产的分布在不同位置的、用途各异的测量控制仪表互连而形成区域通信网, 并可同Intranet和Internet互连。CAN通信网络主要由CAN网络节点、转发器节点和上位机等部分构成, 其数据通信具有可靠性、实时性和灵活性的特点, 适合于工业过程中监控和测控设备的互联, 是最有前途的现场总线之一, 其主要技术特点:

(1) 它是一种多主总线, 控制器工作于多主方式, 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息, 多主站依据优先机制进行总线访问;网络中的各节点可相互访问, 因此有效地提高了系统的实时性、灵活性;支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

(2) 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术结构。

(3) 借助接受滤波的多地址帧传送。

(4) 对通信介质要求不高, 可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

(5) 其通信距离最远可达10 km (5 kbps) , 最高速率可达1 Mbps (40 m) 。

(6) 节点数目多, 实际可达110个。

(7) 由于采用短帧结构发送数据, 实时性高, 检错效果好。

(8) 远程数据请求配置灵活, 中继结构简单。

(9) 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发, 暂时错误和永久性故障节点可自动判别且故障节点自动脱离CAN总线。

(10) 易与其它接口兼容。

2系统设计

2.1 系统网络设计

要实现煤矿供电通信系统的信息集成, 必须建立一个实时的网络系统, 笔者采用了一个2层的总线型网络, 其拓扑结构如图1所示。上层是采用TCP/IP协议的以太网通信总线的管理网络, 该层网络的主要功能是完成井上、井下所有供电设备的集成监视、控制与管理等功能。下层是采用现场总线协议的现场网络, 该层网络的主要功能是完成生产现场各个设备的数据采集与控制, 2层网络间的通信通过图1中的嵌入式网关实现。

2.2 硬件设计

2.2.1 CAN节点的硬件实现

设计CAN总线通信接口是一个很重要的环节, 设备的正确运行与其密切相关。图2为实际的CAN总线通信单元电路图。

整个系统电源采用+5 V, 上电复位芯片MAX813L不仅可保证上电时正确地启动系统, 而且可避免程序在恶劣环境下“乱飞”或进入“死循环”, 从而保证了系统稳定地运行。微处理器采用PHILIPS的P89C52单片机, 该系列单片机是80C51微控制器的派生器件, 指令系统与80C51完全相同。由于SJA1000需要低电平复位, 所以来自MAX813L的复位信号需要经过反相才可送入。本电路设计采用带有施密特触发器的反相器74HCT14, 不仅可保证复位电路的正确, 而且对波形进行了良好整形。CPU和控制器SJA1000各自拥有独立的晶振, 这要求在软件编写时要恰当设置时钟分频寄存器, 两者之间的读写等相关控制线及8位数据线直接相连即可。另外, 电路设计中采用了新的CTM系列隔离CAN收发器模块, 以确保在CAN总线遭受严重干扰时控制器能够正常运行, 具体设计见收发器隔离电路设计。

2.2.2 收发器隔离电路设计

在常见的煤矿供电系统保护中, 收发器隔离电路一般采用2个高速光耦 (6N137) 实现电气上的隔离, 1个电源隔离模块 (+5 V转+5 V) 实现电源上的隔离, 另外还需要计算电阻值的大小才能搭建出合理的收发器隔离电路。需要注意的是仅有高速光电耦合器、却没有电源上的隔离, 此时的隔离将失去意义。这种方式存在着体积偏大, 成本偏高, 采购不便等缺点。

笔者设计的收发器隔离电路中采用了新推出的CTM系列模块, 它是集成电源隔离、电气隔离、CAN收发器、CAN总线保护于一体的隔离CAN收发器模块。该模块TXD、RXD引脚兼容+3.3 V、+5 V的CAN控制器, 不需要外接其它元器件, 直接将+3.3 V或+5 V的CAN控制器发送、接收引脚与CTM模块的发送、接收引脚相连接即可。

图3为CTM1050与SJA1000连接电路图。

该电路采用了隔离CAN收发器模块。有了隔离CAN收发器, 可以很好地实现CAN总线上各节点电气、电源之间的完全隔离和独立, 提高了节点的稳定性和安全性。

CTM系列隔离CAN收发器共有8个型号, 带“T”后缀表示内部集成双TVS总线保护元件, 可以较多地避免由于浪涌、干扰引起的总线错误或元件故障。其主要优点:成本比分立元件低, 设计简单, 稳定可靠。

2.3 软件设计

2.3.1 系统通信协议

本系统由地面监控中心PC机和井下各CAN节点装置构成主从式通信系统, 由主机轮流询检各分机工作状态, 各分机只有在本监控区域出现严重故障时才打破主机的“询检”次序, 向主机发送紧急报文。因此, 要正确获取某点的参数信息, 必须制定相应的具体协议。本设计采用Pelican模式、标准帧格式, 如表1所示 (为1帧信息格式) 。表1中, 信息帧格式的第5字节表示该节点要发送的参数类型 (如电网电压、三相电流、漏电电阻、绝缘电阻、供电开关转台等) 。实际参数内容用2个字节即可表示, 但为了数据传输的可靠性, 第6～11字节均表示实际参数信息。主机接收时, 可以根据“三中选二”的原则, 这样就进一步降低了数据受干扰的几率。

2.3.2 通信软件的设计

软件的合理设计是系统实时有效地完成数据采集和通信任务的关键, 软件主要包括系统初始化、现场数据采集、现场数据处理、数据显示刷新及CAN信息处理等功能模块。在CAN处理模块中, 特别重要的是CPU在访问CAN控制器前要对器件进行测试, 通过测试寄存器写入固定数据 (通常为0AAH或#55H) , 而后读出并校验其正确与否。通过测试能及时发现CPU与SJA1000的接口故障。在SJA1000控制口初始化和报文发送、接收的过程中, 采用了分步检测、冗余判断、错误警示的编程思想, 保证CPU对SJA1000控制器的每一步操作都可靠、正确, 有效地提高软件的稳定度。

图5、图6、图7分别为SJA1000控制器的初始化程序流程图、报文接收程序流程图和数据发送程序流程图。

3结语

本文介绍的基于CAN总线 (控制器为SJA1000) 的煤矿远程电力通信系统, 吸收了CAN总线在电力、通信等行业中的成功应用经验, 结合煤矿井下恶劣的实际工作环境, 将传统的CAN接点驱动器进行了硬件电路系统改造, 在软件设计中提出了健康、可靠性检测等新的编程思想并成功实施。该系统已在太行煤矿1号井等单位试用, 效果良好, 在煤矿行业有较高的推广价值。

参考文献

[1]赵浩, 李声晋, 芦刚.基于CAN总线和以太网的远程监控系统设计[J].测控技术, 2006, 25 (10) .

[2]史久根, 张培仁, 陈真勇.CAN现场总线系统设计技术[M].北京:国防工业出版社, 2004.

[3]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

CAN总线技术煤矿安全 篇6

目前, 矿井监控系统的工作站大多以RS485通信协议为主, 这种协议的工作站已在煤矿中使用多年, 是保障矿井安全生产的重要手段。但由于该工作站受通信协议以及方式的限制, 使得系统工作站的数目、传输距离以及数据传输速度都受到了一定的制约。CAN总线是目前公认性能比较好的现场总线, 具有实时性强、可靠性高、结构合理、互操作性好、价格低廉、组网便捷等优点, 非常适用于系统分布比较分散、现场环境干扰大的场合。本文以某矿井安全生产监控系统的工作站为主要研究对象, 通过对CAN总线的深入研究, 设计了一种基于CAN总线方式的工作站, 用以代替原来的基于RS485协议的工作站, 构建一个多主结构的工作站网络, 进而提高整个监控系统的性能。

1 CAN总线工作站的硬件设计

CAN总线通信协议支持多主站工作方式, 可满足实时性的要求, 节点数达110个, 传输速率为5 kbps, 传输距离达20 km。CAN总线工作站不仅可以改善工作站的性能, 还可实现即插即用, 提高监控系统的兼容性。因此, 要用CAN网络替换RS485网络, 本文采用的方法是基本上不改变原有RS485通信方式的拓扑结构, 以CAN总线通信控制和驱动模块代替原有的RS485通信驱动模块, 从而实现RS485通信方式到CAN通信方式的转变, 构建一个多主结构的井下工作站。

在构建以CAN总线为基础的通信网络的过程中, 首先要定义网络拓扑结构。如图1所示, 该网络基于CAN总线, 其物理硬件包括现场智能单元和监控主机的CAN通信模块, 主要由单片机、程序存储器、8253计数器、8155接口芯片、光电耦合器、整形器、CAN通信控制和驱动、看门狗计数器、或门以及相应的外围电路组成。在监控计算机和工作站上分别采用主从CAN数据传输接口。

每个工作站有4个频率模拟量输入口、8个开关量输入口、4个控制量输出口。工作站由矿用隔爆兼本安型电源箱提供12～18 V直流电源, 再通过三端稳压器LM323向电路板上的器件提供5 V的工作电压。

选用频率型模拟量传感器采样脉冲信号, 所计脉冲的个数对应相应的模拟量值。4路模拟输入量通过整形器和光电耦合器分别进入8253和8155的计数接口。该工作站可采集8路开关输入量, 这些信号经光电耦合及整形后, 分别进入8155的PB口。单片机的计时器每秒产生1次中断, 从而采集1次串口数据。8155的C口设置成输出方式, 其中低4位用于输出控制信号。当检测到瓦斯浓度超限时, 对应的输出口输出1个高电平信号送给断电仪, 控制相关的电气设备断电;当瓦斯浓度回落到允许恢复送电的浓度以下时, 对应的输出口输出1个低电平信号, 使断电仪对相关的电气设备恢复送电。站号编址用8位拨码开关确定该工作站的编码, 即该节点的标识符。

CAN通信控制器采用SJA1000, CAN总线驱动器为PCA82C250。SJA1000适用于移动目标和一般工业环境中的区域控制, 是Philips半导体PCA82C250 CAN控制器的替代产品, 增加了一种新的工作模式 (PeliCAN) , 该模式支持更强大特性的CAN 2.0B协议。CAN总线的物理层和数据链路层的协议已经集成在芯片中, 可通过硬件自动完成数据帧的发送和接收。PCA82C250是Philips公司生产的CAN收发器, 是CAN控制器和物理总线间的接口, 可以提高总线驱动能力, 增加通信抗干扰能力。CAN接口电路如图2所示。

SJA1000通过PCA82C250接收CAN总线上的信号, 传送到微控制器, 并接收微控制器传来的信号, 通过驱动器传送到CAN总线。信号在传输线上远距离传输时, 如果遇到阻抗不连续的情况, 会出现反射现象使信号扭曲, 通常在传输线的2个末端接上匹配电阻来消除反射。由于屏蔽双绞线的特性阻抗一般在100～120 Ω之间, 因此, 匹配电阻一般选择120 Ω。

另外, 由于煤矿井下环境复杂恶劣, 对CAN通信质量提出了很高的要求, 因此, 在接入CAN网络的2根电缆上接上TVS管, 这样做首先可防止电流突变, 再者也可减少噪音, 此外, 还可防止外部动力电源接入CAN总线而烧坏CAN器件。同时在SJA1000和PCA82C250之间加上光电耦合器进行电气隔离, 这样做不仅可以降低干扰, 同时电源分离可以最大限度地保护CAN器件。本文选择电平转换延迟为2～10 μs的TLP521系列的光电耦合器, 如图3所示。

该工作站所采用的通信方式:任何一个工作站均可发出广播消息, 如时间校准、故障信息等, 所有的工作站都接收并处理数据。在图1中, 有1个站号编址模块, 该模块也就是其所在CAN总线的标识符, 可以定义报文的静态优先权。在多站发广播信号的时候, 标识符编码小的站点有优先占据总线的权利。CAN总线的物理特性决定了多主结构这一特性, 在CAN的总线上如果出现信号“1”, 则总线表现出隐性, 反之则表现出显形, 这一特性刚好和RS485总线相反, 也正因如此, 节点号较低的节点将具有高优先级并首先被选中。这样的特性使构建一个多主结构的工作站具有可行性。

2 CAN总线工作站的软件设计

CAN总线工作站的主程序流程如图4所示。初始化之后的89C51等待T0或串行口申请中断, 然后转入相应的中断服务程序。T0的中断服务程序完成对监测量的采样、显示和控制信号的输出等任务。

在CAN节点的程序设计中, 需要设计代码为多主结构服务, 主要包括CAN初始化子程序、CAN发送子程序、CAN接收子程序。

2.1 CAN初始化子程序

CAN初始化子程序的任务是设置CAN通信参数, 主要是对模式寄存器、时钟分频寄存器、总线定时寄存器、代码验收寄存器、代码屏蔽寄存器、输出控制寄存器、中断使能寄存器等进行设置。其中有些寄存器只能在复位期间才可访问, 因此, 必须在初始化时确保CAN通信控制芯片先进入复位状态, 并且初始化设置时要保证总线上所有的节点速率与同步跳转宽度相同。有一点需要注意的是, 挂在同1条总线上的CAN通信控制芯片的总线定时寄存器内容必须相同。

CAN初始化子程序流程如图5所示。

2.2 CAN接收子程序

CAN接收子程序负责节点的报文接收以及其它情况的处理任务。在处理接收报文的过程中, 同时要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理。SJA1000报文的接收主要有2种方式:中断接收方式和查询接收方式。2种接收方式的编程思路基本相同。

CAN节点的接收过程:

(1) 通过中断或者查询方式侦测到状态寄存器中的IR.0缓冲区满标志为“1”时, 表明接收缓冲区有报文接收。

(2) 在接收数据的过程中进行总线占据工作, 并进行相应的错误警报处理。

(3) 处理完接收报文后, 将该接收中断标志位IR.0区清“0”, 进行下一帧的接收。

CAN接收子程序流程如图6所示。

2.3 CAN发送子程序

CAN发送子程序负责节点的报文发送任务。发送时用户只需将待发送的数据按特定的格式组合成1帧报文, 送入SJA1000发送缓存区中, 然后置复位请求标志位CMR.0=1, 启动SJA1000发送即可。在往SJA1000发送缓存区报文之前, 必须进行判断。发送程序分发送远程帧和数据帧2种, 远程帧无数据场。CAN发送子程序流程如图7所示, 其中SR.4为SJA1000是否正在接收报文状态标志位, SR.3为最近一次发送是否成功标志位, SR.2为CPU是否可以向发送缓冲器写报文标志位。

3 结语

本文针对某矿井安全生产监控系统设计了基于CAN总线协议的工作站, 用以代替原来的RS485协议工作站。该工作站的开发工作目前已完成, 试运行结果表明, 与基于RS485协议的工作站相比, 其具有更高的通信速率、更大的节点数和传输距离, 运行稳定、性能可靠, 具有较高的推广价值。

参考文献

[1]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1996.

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[8]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2006.

CAN总线技术煤矿安全 篇7

1 系统体系

我国煤矿监控系统的发展起步较晚, 现有系统的技术含量和功能相对落后, 普遍存在明显的不足, 主要体现在以下几方面:

1) 系统数据通讯速率低, 实时性差;

2) 数据刷新主要采用轮询方式, 主站任务繁重;

3) 分站间无法实现数据交换;

4) 交叉控制由主站完成, 主站一旦出现故障, 可能导致整个系统瘫痪。

针对以上问题, 设计了基于CAN总线的网络控制系统。该系统具有扩展性好、通讯实时性高、可靠性强、系统可在主站故障下独立运行的特点。系统主体框架结构见图1, 系统主干网采用以太光纤环网或工业以太网, CAN总线控制网络分布于各监控子区域, 每一个CAN网段的各个分站间实现网络控制。

2 控制模型设计

要利用CAN总线实现网络控制, 就必须很好地协调整个网络的通讯方式, 根据网络的数据带宽设计合理的通讯控制协议, 在保证总线数据带宽足够的情况下还要保证系统控制的实时性和可靠性。这样, 对整个系统的调度和通讯协调就成为系统模型设计的关键。

系统模型设计的要求是让地面主站的控制功能尽量交由井下分站独立完成, 主站的功能就是实现对整个系统的硬件参数配置和软件逻辑配置, 以及时常的数据监视与保存;分站根据主站的配置信息进行数据采集和逻辑执行。

2.1 主站模型

主站是人机交流的主体, 友好的界面能让操作人员使用起来轻松易懂、操作简便。因此主站界面应尽量实现图形化的设计, 具体形式限于篇幅不作讲述, 在此主要说明实现方法的基本框架。

主站需要完成的功能有:系统硬件参数配置、逻辑配置、配置参数的保存、配置参数的下装, 必要时还需要从分站上传配置参数及历史数据、进行通讯维护、提供友好的交互界面、对实时数据和历史数据进行管理、提供信息化数据共享等, 其基本组成框图见图2。

主站中与控制密切相关的两部分是系统配置和逻辑配置。系统配置完成一个应用系统的分站基本参数设置, 比如分站硬件IO通道的使用情况, 通道的特征参数, 通道的量程上下限等。逻辑配置完成分站的变量定义, 实现分站映射地址的抽象化, 将数值地址转换成字符描述的变量名, 方便使用与理解;逻辑配置还要完成算法块的参数关联及执行顺序安排。主站还需要维护好同一总线网段内的变量名的唯一性, 以便在变量关联时能正确选择对应。不同总线网段的控制逻辑应具备独立性, 控制逻辑变量的关联不能在网段间交叉。

2.2 分站模型

在煤矿监控系统中, 监控分站起到最重要的作用, 分站的稳定性将决定系统的可靠性, 因此对分站的设计相当重要, 分站中的逻辑控制不允许出现任何差错。

相对主站而言, 分站没有复杂的界面显示, 一般分站仅提供一个数码显示屏和几个状态指示灯即可, 显示屏循环显示分站的重要监控数据, 状态指示灯则显示系统的运行状态或控制状态。分站的核心部分是数据采集、逻辑控制、控制输出、通讯维护, 以及通讯故障时的历史数据存储。分站组成框图见图3。

2.3 控制模型

在控制逻辑处理中, 需要将分站的内部中间变量与IO变量进行内存映射, 以方便逻辑处理程序进行数据处理, 同时主站将根据IO映射的逻辑地址进行变量定义。逻辑控制算法采用算法块的形式, 分站提供几个基本的算法块, 控制逻辑由这些基本算法块搭建而成。采用算法块的好处在于界面易于图形化设计, 组织很直观, 操作使用简单, 调试方便, 运行结果一目了然。分站中定义的基本算法块有:模拟量赋值块, 开关量赋值块, 加法块, 减法块, 乘法块, 除法块, 逻辑与, 逻辑或, 逻辑非, 比较算法块。由于CAN通讯报文所带数据量少, 因此, 算法块的输入输出参数不能过多, 规定一个算法块中, 输出参数与输入参数个数的总和不能大于6个字节, 参数数据长度总和不能大于6个字节。主机在进行逻辑配置时, 需要将算法块的执行顺序预先安排好, 否则可能出现计算结果错误。

要实现网络控制功能, 分站之间就有网络数据通讯, 为在CAN的短帧通讯方式下能有效地利用网络流量实现高效的实时控制, 就必须设计一个合理的通讯协议。该系统的通讯协议基于CAN标准帧进行设计, 如果要用扩展帧格式实现, 只需适当作些调整即可。在应用中, 将CAN控制域的11位标识位进行了分配定义, 见表1。

传送方向用于标识报文的发送方向, 通过这两位的不同取值, 接收方可知道报文是主站发送至分站、分站发送至主站还是分站发送至分站的。分站地址是每个分站的唯一标识, 取值范围为1～63, 0保留, 即1条CAN总线上最多可挂接63个分站。报文类型用于表明报文是请求报文、应答报文还是错误报文。再将数据区的第一个字节作为命令字, 分站或主站通过对该命令字的分析来作出相应的数据处理或操作控制。这样一来, CAN的8字节数据区最后在实际数据传输中只有7个字节作为应用数据了, 这也正是对算法块参数长度及个数进行限制的原因。

对于具有自动网络控制的设备而言, 控制逻辑的结果输出一般情况下是每执行完一次便将结果输出到网络控制节点上, 由于CAN在长距离通讯时总线速度也不是很快, 距离10 km时为5 kB/s的通讯速度, 当网络控制点数过多时可能导致网络数据传输超负荷, 有些低优先级分站节点的控制输出得不到执行, 因此对网络控制数据的输出方式也要仔细考虑, 要既能实现实时控制, 又能保证控制的可靠性。该方案采用变化加周期输出的方式进行网络控制输出, 分站内的控制输出则可在每周期内及时进行。

3 结语

按设计方案已在实验室开发了一套16台分站的监控系统软件, 分站IO通道数为12通道 (8 AI/DI, 4DO) , 测试结果显示, 系统满负荷数据刷新时间不超过5 s, 在16个网络控制输出点的配置情况下, 控制结果输出时间不超过3 s, 分站内控制结果输出时间不超过2 s。因此, 按该方案设计的煤矿监控系统较现有系统在控制功能和实时性上有很大的提高。

摘要：介绍了煤矿监控系统中基于CAN总线短帧通讯报文控制方案的设计与实现过程, 并提出系统网络结构的设计方案。实验结果表明, 该方法具有传输可靠、控制实时性高、控制逻辑设计灵活的特点。

关键词：监控系统,CAN,现场总线,监控分站

参考文献

[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.