矿用胶带机综合监控系统的设计

2013-08-07汪涵

常州信息职业技术学院学报 2013年2期

汪涵

(常州信息职业技术学院江苏常州 213164)

0 引言

目前应用于我国煤矿的安全监测系统型号众多，但其基本结构相似，系统均是由分布在现场的监测分站及上位机组成，监测分站负责各种现场传感器信号的采集，通过RS485通信口和系统监控主机相连。该系统存在可靠性差、实时性差、开放性差、抗干扰能力差等方面的缺陷。矿用控制系统的种类更多，不同的控制对象采用不同的生产控制子系统，如胶带机控制、水泵控制、通风控制子系统等。这些子系统之间相互独立，从而造成难以实现信息及资源共享。要实现全矿井综合监控，简单地采用目前市场上不同生产厂商的各个子系统是完全不可能的，必须从根本上解决系统的开放性、通用性和高可靠性。这就需要提出新的通讯解决方案，设计出一种基于MCAN协议的矿用胶带机综合监控系统。

1 MCAN协议规范

本文所研究的矿用胶带机综合监控系统用先进的现场总线CAN代替了传统的RS485通信或专用的工业级控制网通信，是一种基于MCAN协议的系统，在设备层用MCAN进行通讯，在用户层由以太网进行管理。这种系统可以克服传统的缺点，实现控制和运行状态监测的有机结合，有效解决了传统的工业级控制网络存在实时性、可靠性差的问题，使系统的性能得到极大的提高，适合井下各种类型胶带机的控制。

1.1 MCAN协议通讯层结构

MCAN协议是一种基于现场总线CAN_bus的应用层协议，可以为工控领域提供一种简单、可靠、开发容易的总线系统［1］。MCAN协议详细定义了CAN报文中ID号以及数据区的分配和应用，并定义了设备的IO资源以及访问规则。MCAN协议通讯层结构如图1所示。

图1 MCAN协议通讯层结构

1.2 MCAN协议规范简介

MCAN协议规范由MCAN报文格式定义、MCAN报文传输协议、MCAN网络管理和MCAN设备功能定义四部分组成［2］。

MCAN报文格式规定了MCAN协议中使用的CAN帧类型、帧ID号以及帧数据的使用等，节点编号是设备在网络上的唯一标识，给其分配8位，一个MCAN网络可以最多支持255个节点。在通讯帧的标识符中指定了源节点和目标节点编号，这样在每帧数据的通讯过程中，通讯双方就可以通过检查节点编号来进行帧滤波。

MCAN报文传输协议规定了各节点之间的通讯方式。在任何一个MCAN的报文标识符中，指定了发送报文的源节点编号和接收报文的目标节点编号，因此MCAN是面向节点的协议。MCAN协议在报文传输过程中采用主从方式及事件触发方式相结合的通讯模式。主从方式是指主站设备传输报文给从站设备，从站设备接收报文进行处理，并向主站设备发送响应报文;事件触发方式是指由从站设备主动向主站传送报文的方式。

MCAN网络管理规定了设备通讯监控以及错误管理，具体可以分为节点控制和通讯控制。

MCAN设备动能定义是指在MCAN协议中设备通过四个部分进行定义:设备的标识部分，设备的通讯参数，设备的I/O单元定义，设备的I/O配置参数。

2 矿用胶带机综合监控系统的设计

2.1 矿用胶带机综合监控系统的MCAN总线方案

本矿用胶带机综合监控系统方案在设备层用MCAN进行通讯，在用户层由以太网进行管理，MCAN总线主线采用直线拓扑结构，系统网络结构如图2所示。由联接在MCAN总线主线上的控制分机、语音分站、模拟量处理单元及故障采集器四种设备组成一组，对一条胶带机完成实时监控和保护。

图2 系统网络结构

因为所有的设备都能主动向总线上发送数据，所以在系统中设置优先级，保证重要设备的信号能优先发送。另外为了避免MCAN总线负载过大，将一些必要的数据设置为实时发送，而其他数据只能在一定的管理机制下才向总线发送数据，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。为便于和以太网EtherNet接口，各级主控管理机和井下设备的通讯是通过CAN_bus到以太网EtherNet的智能网关CANNET-E来进行转换。

2.2 网络中继的实现

本系统现场级网络采用的是现场总线CAN，但标准的CAN-bus网络设计主要受CAN-bus协议规范和接口电路的限制，体现在4个方面:①其网络中节点最远通信距离＜10公里，但10公里只是理想值，根据所做试验用普通双绞线作为通讯电缆时实际在5K波特率的情况下可靠通讯只能达到2公里;②CAN-bus节点数量＜110个;③网络拓扑必须为总线型;④一个网络中通信波特率必须唯一。

CAN-bus以上4个方面的限制不能满足本监控系统的设计需求。因此在本系统CAN-bus网络设计中自行开发了CAN-bus网络中继，有效解决了以上问题。如图3所示，采用CANbridge智能CAN中继后，实现CAN网络1和CAN网络2的信息传递，并允许CAN-bus网络1和CAN-bus网络2采用不同的通信波特率，使CAN网络1和CAN网络2连接起来形成一个扩展CAN-bus网络，在这个扩展CAN-bus网络中，最长通信距离可达20公里，节点数量可达220个，可以成倍地增加MCAN网络中终端设备的数目，并且CAN中继还可以级联使用实现更复杂的网络结构。

图3 网络中继结构图

通常，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、抗干扰性等方面的需求。但在环境要求较高的场合，可以选择使用单模光纤作为MCAN总线的通讯介质，以实现更远的通讯距离及更高的抗干扰能力。当然，采用光纤通讯会增加一部分MCAN网络的设备成本。

2.3 冗余系统设计

工业控制现场中工况条件十分恶劣，各种电磁干扰对物理链路及数据链路的正常工作都有严重的影响。这些对控制系统是极大的威胁，非常容易导致系统瘫痪。为降低此类风险，本系统采用了物理冗余技术［3］。

物理链路的冗余使用两条总线电缆和两个总线驱动器，在总线控制器与两个总线驱动器之间再增加一个判断电路。当节点发送时，总线控制器向两条总线同时发送相同的报文;而接收时，判断电路自动选择两条总线中的一个并将其报文送入总线控制器。判断电路以时间优先为选择原则，即哪一路报文抢先到来，哪一路报文就被选中。如果某一总线发生故障，则关闭它与总线控制器的信号通道，同时向CPU发出总线故障中断，而正常总线的信号通道不受影响。