现场总线CAN-bus在煤矿通讯中的应用

    煤矿生产是与国计民生密切相关的一个领域。其中，煤矿安全无疑是人们关注的热点之一。安全问题不仅影响到社会经济，更关系到每个矿业人员的生命安全。但目前在我国煤矿系统中，不少煤矿原有的各类独立设备已经不能够满足现代化煤矿生产的需求。因此，组建一个技术先进的煤矿通讯网络，对煤矿的工作人员、现场环境参数进行监测和控制，形成一个能够满足地域化控制、符合煤矿安全要求的煤矿数据/信息管理系统，是煤矿行业的发展大趋势。
    煤矿通讯主要涉及两个方面：考勤和巡检系统；作业现场环境监测。
    按国家对煤矿企业中现场通讯设备的参数要求，目前在煤矿行业中，常见的通讯方式有：串行通讯RS-485、现场总线CAN-bus、调制解调Modem、无线通讯等几种方式。本文将对比这几种通讯方式，并结合实际项目的运行经验，从而汇总一些煤矿行业应用现代化通讯的特点和优势，并重点介绍现场总线CAN-bus的主要优势。
1 煤炭行业中常用的通讯方式
1.1 串行通讯RS-485
    RS-485是一个串行通讯的电气标准,它具有如下优点：(1)支持多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。(2)是一种实现成本较低的多点网络通讯方式，通用RS-485收发器的价格低于10元/个。(3)是最常见的通讯方式之一，单一网络能够连接32个节点，通讯距离达到1200米。(4)RS-485设备可以基于普通单片机的UART端口进行开发，电路设计简单。
    RS-485标准不足之处是：在比较复杂的网络结构中，难以保障数据的实时性、网络的可靠性。而最新的行业标准中，要求煤矿设备能够在不加辅助网桥的情况下，连接长达4千米的网络，这是RS-485标准难以逾越的技术鸿沟。因此，RS-485标准在煤矿行业出现的机会将越来越少。
1.2 调制解调
    调制解调(MODEM)即利用模拟信号传输线路来传输数字信号。调制的过程，即发送方将数字信号“翻译”成模拟信号，才可以通过模拟信号传输线路进行远程传输；解调的过程，即将来自模拟传输线路的模拟信号“翻译”回数字信号，供接收方阅读并处理。最常见的产品是：PC机调制解调器和利用电话线路实现电脑上网。
    调制解调方式虽然能够实现远距离的数据通讯，但是，构建多点网络比较麻烦，以及硬件设备成本较高限制了调制解调方式在煤矿行业中的应用。
1.3 无线通讯
    无线通讯ZigBee符合IEEE 802.15.4标准，是一种短距离的高频无线通讯标准，具有低成本、低功耗、双向传输、高可靠度、自动感应网络功能等特性。
    ZigBee技术是近几年才发展起来的新技术，主要应用在监测、控制与自动化等场合。但目前由于ZigBee产品的开发成本较高，且只适合短距离、小范围内通讯；虽然已在煤矿行业有了一些研究性质的探索与应用，但主要集中在人员考勤与RFID识别类产品上，属于小范围现场网络，并不真正能够满足煤矿行业较多设备联网的应用。
    与ZigBee的应用相类似，已在煤矿行业进入批量应用的无线通讯的还有433MHz的nRF无线数传技术，但也属于短距离无线数据通讯，也主要被用在人员考勤与RFID识别上。
1.4 现场总线CAN-bus
    CAN-bus（Controller Area Networkbus）总线最早由德国Bosch公司提出，主要用于汽车内部单元与控制中心之间的数据通讯。由于其良好的性能，被广泛应用于其他领域中，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（无中继时最远10千米）、传输速率快（最高1Mbps）。
    (3)单条总线最多可接110个节点，并可方便地扩充节点数。
    (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)非破坏的总线仲裁技术，可多节点同时向总线发送数据，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)总线系统结构简单、性价比极高。
    从以上分析可见，现场总线CAN-bus在网络开放性、通讯可靠性、网络通讯距离、网络节点数目、数据传输实时性、系统设计成本等方面都具有很大的优势。因此，当CAN-bus应用于煤矿通讯系统时，立即获得了广大设备用户的认可，成为煤矿行业中首选的设备通讯网络。通过由CAN-bus构建的煤矿现场设备网络，管理者和主控设备能即时地了解、处理当前的矿井情况，寻找事故隐患，避免危机的发生。
2 煤矿通讯中使用CAN-bus的技术要素
2.1 本质安全
    在石油、化工等过程测量与自动化控制系统中，可能出现潜在的爆炸性环境，在实践应用中设计人员必须对系统中的现场设备及其相关设备采取相应的防爆措施。随着电气设备防爆技术的不断进步和发展，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆(Ex d)、增安(Ex e)、本质安全(Ex i)、正压(Ex p)、浇封(Ex m)和无火花(Ex n)等。在众多的防爆技术中，本质安全(以下简称本安)防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测量和带电维护等优点，同时它也能用于0区危险场所。因此在低压、低功率电气设备、仪器仪表等领域内，它是首选的防爆技术。然而，本安防爆实质上是系统防爆，其防爆性能不仅与关联设备有关，而且也与相应设备有关。
    煤矿行业的通讯设备必须符合《GB3836 爆炸性气体环境用设备》标准，简称为“煤安”标准。
    现场总线CAN-bus的传输介质可以是双绞线，同一网络可以连接110个设备；通讯报文以差分信号的形式进行传输。常用CAN-bus收发器的电压、电流参数如表1所示。

    煤矿行业中，构建CAN-bus网络的常用CAN-bus设备的功耗指标如表2所示。

    由表1、表2可见，基于现场总线CAN-bus的设备一般都可以长期安全运行在防护要求很高的煤矿行业爆炸性气体环境中。
2.2 通讯距离
    煤矿行业的通讯网络涉及矿上通讯、井下矿道通讯。其中，井下矿道通讯是重点。一个中小型煤矿的通讯网络，井下矿道通讯距离可能需要达到20千米，甚至更远。
    现场总线技术中，通讯距离与通讯速率密切相关。通常，当通讯速率为5Kbps时，CAN-bus总线的通讯距离可以达到10千米，若安装1个CANbridge网桥，通讯距离可以延长一倍，并可增加连接一倍的CAN-bus节点数目。
    煤矿行业建立CAN-bus网络时，根据现场的通讯距离、数据流量等需求参数，一般可选择的通讯速率有 5Kbps、10Kbps、20Kbps等标准波特率，特殊场合可以选择2.5Kbps的通讯速率，以获得更远的通讯距离。CANbridge网桥、CANET-E网关都可以支持2.5Kbps的通讯速率。
    通讯电缆的合理选择，对CAN-bus网络的通讯距离也有非常重要的影响。通常选择矿用阻燃电缆作为CAN-bus网络的传输介质，该类型的电缆线特性：双绞线、直径1.5mm²、电阻12.1Ω/km，电感800mH/km，电容0.06μF/km。符合该参数的矿用阻燃电缆可以在5Kbps的速率下达到6~7公里的通讯距离。
2.3 网络布线
    煤矿行业的矿井结构比较复杂，一般都存在较多的分支巷道，多为树形结构或者鱼刺形结构。通常的CAN-bus总线型拓扑结构并不适合矿井内的通讯布线；但是，通过在合适位置安装CANbridge网桥，改变整个网络的拓扑方式，形成树形拓扑或星形拓扑，既方便&