基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究

摘要：煤矿生产的特殊性，导致其监测监控系统呈跳跃式发展态势。本文研究基于CAN现场总线的煤矿监测监控系统，设计了具有光纤自愈环结构的传输干线，给出了3种CAN智能节点的实现方案和实用的CAN/RS232网关电路。

　　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

　　工业控制系统的发展大约经过4个阶段，相应的控制系统为：模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)。由于煤矿生产的特殊性，地面正常运行的系统并不能直接应用于井下，导致煤矿监测监控系统的发展呈跳跃式态势。模拟仪表很难适应煤矿井下的恶劣环境，因此我国煤矿的监测监控系统跳过了模拟仪表阶段，直接通过引进、消化和研制进入了集中式数字控制阶段。到了DCS阶段，由于分布式控制对通信的可靠性要求很高，DCS中的通信都由专用的封闭网络系统来实现，致使这一市场为国际上少数几个大公司所垄断，系统价格昂贵，严重阻碍了DCS的推广和发展。

　　因此目前我国煤矿普遍应用的监测监控系统存在有明显的缺点和不足：
　　1)无法构成多主结构，不能满足在分布式系统中监控分站之间相互通信的要求；
　　2)主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起系统瘫痪；
　　3)数据通信方式为命令响应式，数据传输效率低；
　　4)当下端出现异常时，数据不能立即上传，系统灵活性差，实时性不够高。

　　FCS针对DCS的缺陷，把封闭、专用的控制网络公开化、标准化，使来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连成系统，实现综合自动化的各种功能。传统DCS集中与分散相结合的集散系统结构，变成了基于现场总线的全分布式结构。FCS的出现，使我国煤矿监测监控系统得以冲破国际大公司的垄断，跨过DCS阶段而直接进入FCS阶段，实现新的一轮跳跃式发展。

　　系统总体架构

　　现场总线和CAN总线
　　现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS在传统DCS网络的下一层再引入一个现场总线网络层，将底层智能的I/O模块、各种智能化的电子设备和仪表通过现场总线网构成底层的控制网络。

　　CAN总线是最早被ISO制定为国际标准的现场总线。它采用了OSI模型中的物理层和数据链路层，提高了实时性。其节点有优先级设定，可随时发送消息，支持点对点、一点对多点和广播模式通信。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

　　环形光缆干线架构
　　煤矿生产的调度、管理系统一般都在井上，现有的监测监控系统如：通风、安全、环境和皮带监控等等，其监控终端一般也都在井上，而且大多集中在调度室。因此以井上调度室为中心，设计了一个环形光纤传输网络，如图1所示。光纤传输容量大，抗干扰，防爆。井筒主干线光缆可以采用多芯结构，将调度电话、工业电视等其它通信系统与CAN总线综合在一条光缆中传输。为了保证通信的可靠性，从副井另铺设一条光缆干线，使主干线成环形结构。图1中，中心站设置在井上调度室，分站根据实际需要，分布在井筒和井下。

　　
　　图1　基于CAN总线的煤矿监测监控系统总体架构

　　CAN总线通常采用双绞线传输，距离随速率增高而减小，125kbps时约为550m。为了解决高速和远距离之间的矛盾，这里采用了数字复用、光纤传输的方法。15路125kbps的CAN信号复接后，利用光缆中的一对光纤，连接15个分站和1个中心站，通过内部的网络管理，构成光纤自愈环的拓扑结构，实现多路CAN的远距离可靠传输。每个分站分/复接一路CAN，通过双绞线连接一个CAN局域网，各种智能节点(传感器、执行器和控制器)可以很容易的挂接在这条总线上。现有监测监控系统的传统型分站，也可以通过转换网关实现兼容。在中心站，则完成15路CAN的完全分/复接。

　　CAN总线的扩展
　　一条CAN总线上的节点个数理论上不受限制，但在实际中，为了保证通讯质量，节点个数一般限制在110个以内。在煤矿环境下，存在多种监控系统分站和大量的传感器，这就需要对CAN总线进行扩展。具体方法可以通过CAN//RS232(485)网关来扩展；或者采用市面上成熟的CAN总线PCI卡，利用PC机，通过以太网接口连接。其原理如图2所示。在上述15路CAN复接的光纤传输系统中，CAN之间的扩展连接主要在中心站完成。

　　
　　图2　扩展CAN总线节点示意图

　　CAN智能节点实现方案

　　基于CAN总线的煤矿监测监控系统是一种全分布的集散控制系统。其集中管理体现在，在中心站可以对任一路CAN的任一节点进行检测、配置和组态。其分散控制则体现在，所有的传感器、控制器和执行器都可以是独立的节点，通过CAN总线相互通信、建立连接，由组态软件确定它们的组合关系。

　　CAN智能节点一般有3种实现方案：1)微控制器+CAN控制器+CAN收发器；2)集成CAN控制器的微控制器+CAN收发器；3)CAN的串行I/O器件+CAN收发器(如图3)。只要符合CAN总线规范的单元都可以通过CAN接口接入CAN总线。

　　
　　图3　CAN总线智能节点3种实现方案

　　方案1和2的原理相同。但是一般集成了CAN控制器的微处理器功能也较为强大，结构复杂，成本较高，因此方案2适合用于功能复杂的控制器。方案3简单易用，成本低，适于作为传感器或执行器的CAN接口。方案1介于二者之间，可采用大家熟知的MCS51系列单片机，软硬件实现容易，成本较低，使用方便。

　　CAN/RS-232/485网关的设计

　　设计新的煤矿监测监控系统，必须考虑对原有系统和设备的兼容和利用。目前煤矿监测监控系统多利用RS-232，RS-485进行通信，为了与CAN系统兼容，有必要设计CAN/RS2232/485转换网关。

一个简单实用的网关硬件电路由三部分构成：微控制器及其外围电路，CAN总线控制器与收发器电路，以及RS232/485通讯接口电路。微处理器可以采用ATMEL公司的AT89C51，CAN控制器和收发器选用Philips公司的SJA1000和PCA82C250，通信接口选用Maxim公司的MAX232.CAN与AT89C51的P0口相接，MAX232则连接通用串行接口。若用MAX485替换MAX232，就可实现CAN/RS-485网关。

　　结论

　　随着现场总线的应用和普及，基于CAN总线的煤矿FCS系统将成为主流之一。通信主干线采用数字复接、光纤传输的自愈环结构，智能节点针对不同应用要求选择不同实现方案，以及充分考虑与现有监测监控系统的兼容，是实现该系统的三大关键技术。