CAN总线在煤矿水文监测系统中的应用

陈万胜

(中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077)

0 引言

煤矿安全无疑已成为社会关注的热点问题之一，不仅对社会经济有影响，更关乎煤矿作业人员的生命安全.在煤矿生产过程中，矿井顶底板的含水构造严重威胁着煤矿的安全生产.引起煤矿安全隐患的一个重要原因是对有害情况的监测和控制存在一些缺陷.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，通讯要具有实时性和可靠性，以便及时了解与查询现场安全监测监控信息.在此，我们根据煤矿的安全生产需要，提出一种性价比非常高的现场总线[1-9]通讯系统，即CAN-bus 总线方案，用来解决煤矿水文监测系统的通讯问题.

1 煤矿目前的通讯现状及存在问题

煤矿井下的自然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多.目前，井下监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，不仅监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)监测对象种类繁多.矿井下的很多环境参数都会牵涉到事故的发生，因此对矿井参数的监测可以有效的避免事故的发生.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需要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)测点分布复杂.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的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.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.

2 CAN-bus 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，并且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；(4)总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；(5)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；(6)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；(7)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；(8)对未成功发送的报文，硬件有自动发送功能，传输可靠性很高；(9)具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；(10)通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等；(11)CAN-bus 总线系统结构简单，性价比极高.

基于CAN-bus 的上述特点，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，从而达到避免事故发生的目的.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.

3 水文监测系统的CAN-bus 应用及实现

在煤矿水文监测系统中,测点分散,分布范围相对较大,测点较多[2].同时,传送的数据量较大,抽放水实验时实时性要求较高.通常由于煤矿系统要求比较智能化，所以方案的完整性和可扩展性也是必须的.因此，本方案选用CAN-bus总线进行通讯、网络的拓扑结构如图1所示，监控计算机放置在信心中心或者调度室，采集到的数据可以通过中心交换机做WEB发布.监控计算机通过RS232读取远程通讯适配器的数据，远程通讯适配器有两方面的作用，作用一为隔离地面与井下信号，作用二是把CAN信号转换为RS232信号.分站1、分站2、分站3作为主网络，与远程通讯适配器进行连接,可以直接进行通讯，传输距离小于5km；分站4,分站5，分站6，分站7为支线网络，通过智能网桥连接，智能网桥同样也有两个作用，作用一延长传输距离，作用二增加分支，节约网络布线成本.每个分站都挂接在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.

通过相应的设置，所有分站可以主动向总线上发送数据，那么可以设置分站的优先级，重要监测的数据(分站)信号优先级高.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，比如远程通讯适配器来查询的时候，或者按一定的时间间隔再发送.

CAN-bus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理论上可以达到10km，由于受煤矿环境及条件的影响，当用5Kbps进行网络通讯时，阻抗为12.8Ω/km，实验最远传输距离为5km,而要延长通讯距离，可以增加智能网桥.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，降低阻抗以减小信号衰减.当煤矿通讯网络需求达到更远的通讯距离(大于10km)，或者终端数目较多(大于110个)时，可以通过安装网桥来延长通讯距离，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.

图1 网络拓扑结构

4 总线通讯板及隔离电路实现

通讯板的设计，CAN控制器选用常规的SJA1000，收发器选用PCA82C251.由于SJA使用比较多，这里就不多讲了，在这里重点介绍PCA82C251的使用情况及电路设计.

PCA82C251收发器是协议控制器和物理传输线路直接的接口，其发器的典型应用如图2.协议控制器通过串行数据输出线(TX)和串行数据输入线(RX)连接到收发器.收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端CANH和CANL连接到总线电缆.为了通讯的可靠及安全，在收发器和协议控制器增加光耦来达到电流隔离的目的.电流隔离，光耦可以如图2一样放置在收发器和协议控制器之间.使用光耦时，要注意选择正确的默认状态，特别是在隔开的协议控制器电路一边没有上电时.这种情况下连接到TxD的光耦应该是暗的，即LED关断，当光耦是断开暗时，收发器的TxD输入是逻辑高电平，可以达到自动防故障的目的.使用光耦还要考虑到将Rs模式控制输入连接到高电平有效的复位信号，例如当本地收发器电源电压在斜率上升和下降过程中没有准备好的情况下禁能收发器.

然而在协议控制器和收发器之间使用光耦(6N137)，通常会增加总线节点的循环延迟.信号在每个节点要从发送和接收路径通过这些器件两次，这将减少位速率给定时可使用的最大的总线长度，这在计算由于CAN网络中的传播延迟而造成限制可以使用的最大总线长度时要考虑 .

图2 通讯板典型电路设计

5 应用实例

焦作煤业(集团)公司多个矿井已经安装基于CAN-bus总线的水文监测系统，服务器安装在局信息中心，井下网络以典型的CAN-bus总线布置，以某矿为例，系统有10个分站和远程通讯适配器、监控计算机、备用监控计算机构成.系统分东西大巷，东大巷有3个分站，西大巷7个分站，东大巷作为主网络，西大巷做为分支网络，远程通讯适配器离最远的分站距离约8km.监控计算机采集的数据实时的上传局信息中心服务器，相关工作人员可以通过自己的用户名和密码及权限访问服务器的数据.其系统简图如图3所示.

图3 系统简图

系统能实时的采集数据，及时的上传监测中心站，使地测人员能及时的绘制水位变化曲线图，打印报表，及时做出水害的预警，预报处理，做出相应的补救措施.在此矿应用之后，得到了矿上人员的一致好评，水文地质工程师就不必要去现场采集数据，只需要做简单的操作就可以读取相应分站的实时数据，可以腾出更多的时间做地质和水文数据的分析，更好的服务生产.

6 结束语

用CAN总线设计的水文监测系统，传输数据可靠，组网灵活，故障点容易查找，局部故障不会影响整个系统工作,同时能很好的解决水文监测系统测点分散，传输距离远，通讯环境恶劣，分支较多的缺点.在现场的应用中取得了显著的经济和社会效益，不但提高了工作效率，而且减少了人为的误差.为煤矿的安全生产提供了可靠的水文数据，为矿井水害预防提供了有力的数据保障.

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