總線技術(shù)的礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

礦產(chǎn)資源是社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦業(yè)是開采礦產(chǎn)資源的行業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)

重要組成部分，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活中有著十分重要的意義。煤炭工業(yè)的智能化、信息化、

安全化水平對(duì)我國(guó)能源行業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的努力，我國(guó)煤炭工業(yè)己經(jīng)建立了比較完整的，并有一部分現(xiàn)代化水平的

工業(yè)體系。但是，煤炭工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)總體上看還是粗放的，還處于較低水平，特別是井下

采煤安全制約著國(guó)內(nèi)煤炭工業(yè)健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭今年產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到31.1億噸，

居世界首位。但目前我國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其它產(chǎn)煤國(guó)家，每年事故死亡近

萬(wàn)人，安全生產(chǎn)形勢(shì)仍相當(dāng)嚴(yán)峻。全國(guó)煤礦事故頻發(fā)，由此可看出煤礦安全技術(shù)改造的重要

性和緊迫性。在這其中，瓦斯災(zāi)害和煤礦透水是造成煤礦事故的主要元兇，是煤礦安全生產(chǎn)

的大敵。要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就必須走新型工業(yè)化道路。大力發(fā)展煤炭工業(yè)信息化，使煤炭生

產(chǎn)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷、安全監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)大大提高是實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化道路的重要途徑。

我國(guó)的煤炭工業(yè)由于長(zhǎng)期受舊體制的影響，除少數(shù)煤礦企業(yè)外，科技實(shí)力普遍不高，存在很多安全生

產(chǎn)隱患。在煤礦監(jiān)控領(lǐng)域，只有部分重點(diǎn)大中型煤礦裝配了以計(jì)算機(jī)為中心的集散型監(jiān)控系統(tǒng)，更多的是

簡(jiǎn)單的模擬系統(tǒng)，且這些系統(tǒng)由幾十個(gè)廠家提供，各個(gè)系統(tǒng)之間不能兼容。因此，建立煤礦井下安全監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)，形成煤礦井上/下可靠、高效的安全預(yù)警機(jī)制和管理決策信息通道尤為重要。

2緒論

2.1課題研究背景和意義

礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)楦骷?jí)生產(chǎn)指揮者和業(yè)務(wù)部門提供環(huán)境安全參數(shù)動(dòng)態(tài)信息，通過

對(duì)被測(cè)參數(shù)的比較和分析，為預(yù)防災(zāi)害事故提供技術(shù)數(shù)據(jù)，便于提前采取防范措施；通過對(duì)

被測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)有效的控制，及時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、斷電和閉鎖，便于防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大叫

國(guó)外20世紀(jì)六七十年代發(fā)展起來的煤礦監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)，近年來在我國(guó)也有了飛速的發(fā)

展，各種煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。目前我國(guó)煤礦中使用的各類監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)多

達(dá)三十幾種，新的監(jiān)控系統(tǒng)還在不斷加入⑵。

由于現(xiàn)有廠家的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用各自專用的通信協(xié)議，很難找到兩個(gè)相互兼容的系

統(tǒng)。目前，信息傳輸系統(tǒng)的兼容性已成為各礦井進(jìn)一步補(bǔ)充系統(tǒng)功能的制約因素，主要表現(xiàn)

在用戶一旦裝備了某廠家的系統(tǒng)后，在監(jiān)控系統(tǒng)的軟件、硬件（如分站）的補(bǔ)充及服務(wù)等方

面，就別無(wú)選擇地依賴于這個(gè)廠家。有些礦井在系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題和得不到技術(shù)服務(wù)的條件

下，不得不廢棄原有系統(tǒng)而選擇其他系統(tǒng)。因此，通信協(xié)議不規(guī)范造成了設(shè)備重復(fù)購(gòu)置、系

統(tǒng)補(bǔ)充受制于人和不能隨意進(jìn)行軟硬件升級(jí)改造的后果。限制了競(jìng)爭(zhēng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)的

有序競(jìng)爭(zhēng)局面的形成，造成了部分廠家的壟斷⑶。

傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸廣泛采用的是RS232或RS485通信方式，這種傳輸總線技

術(shù)在信息傳輸方面存在許多無(wú)法克服的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：口⑹

監(jiān)控系統(tǒng)種類雖然多，但均為主從式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上只能有1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，無(wú)法構(gòu)成多主冗

余系統(tǒng)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)將無(wú)法運(yùn)行；

1）由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和通信協(xié)議，所以系統(tǒng)是封閉的；

2）波特率較低，傳輸距離短，實(shí)時(shí)性滿足不了。

近年來，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)使得建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的開放性煤礦監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。CAN

總線的許多優(yōu)點(diǎn)正好能克服以上幾個(gè)缺點(diǎn)，較適用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)"加。

我國(guó)的煤炭工業(yè)由于長(zhǎng)期受舊體制的影響，除少數(shù)煤礦企業(yè)外，科技實(shí)力普遍不高，存

在很多安全生產(chǎn)隱患。在煤礦監(jiān)控領(lǐng)域，只有部分重點(diǎn)大中型煤礦裝配了以計(jì)算機(jī)為中心的

集散型監(jiān)控系統(tǒng)，更多的是簡(jiǎn)單的模擬系統(tǒng)，且這些系統(tǒng)由幾十個(gè)廠家提供，各個(gè)系統(tǒng)之間

不能兼容。因此，建立煤礦井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成煤礦井上/下可靠、高效的安全預(yù)警機(jī)制

和管理決策信息通道尤為重要。

2.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有一些比較成熟的安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，比如淄博瑞安特公司的KJ76煤

礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，江蘇常州三恒公司的KJ69煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)用來監(jiān)

控煤礦生產(chǎn)過程中的物流運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和危險(xiǎn)區(qū)域敏感數(shù)據(jù)信息，屬于傳統(tǒng)的一般安全監(jiān)控系統(tǒng),

只是簡(jiǎn)單的把井下傳感器檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速等信息上傳到井上調(diào)度室的主機(jī)備案、顯

示和查詢。而包括下井人員跟蹤檢測(cè)在內(nèi)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)還是空白。我們了解到目前已經(jīng)有

些單位正在開發(fā)獨(dú)立運(yùn)行的下井人員跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)，有的已經(jīng)做出了初步的產(chǎn)品，如濟(jì)寧電

真空器件廠的KJ151煤礦井下人員定位系統(tǒng)等，但是目前都還沒有通過相關(guān)認(rèn)證和鑒定，基

本上都處于試驗(yàn)階段。國(guó)外幾年前就有澳大利亞的公司開發(fā)出了功能強(qiáng)大的下井人員跟蹤監(jiān)

控系統(tǒng)，曾經(jīng)在我國(guó)煤礦系統(tǒng)推廣。但是由于這套系統(tǒng)成本過高、維護(hù)相對(duì)困難、不適合我

國(guó)國(guó)情等各方面原因，最終以失敗而收?qǐng)?，沒有推廣出一套系統(tǒng)。

2.3課題研究?jī)?nèi)容及主要工作

本課題研究的基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面主機(jī)和井下若干固定監(jiān)測(cè)節(jié)

點(diǎn)及設(shè)備、手持移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。

采用檢測(cè)和傳輸方式構(gòu)成二級(jí)集散式微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井下的瓦斯（甲烷）、一氧化碳、

二氧化碳、溫度、風(fēng)速、積水倉(cāng)水位等參數(shù)全方位監(jiān)測(cè)，人員自動(dòng)跟蹤定位，實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示

動(dòng)態(tài)目標(biāo)的身份、位置及分布狀況。平時(shí)用于優(yōu)化生產(chǎn)指揮，一旦遇到事故，可依次作出正

確、快速的營(yíng)救決策，指揮抗災(zāi)。

課題主要完成的工作如下：

1）通過全面研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線技術(shù)的新型礦

井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，論述系統(tǒng)功能，給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和具體實(shí)現(xiàn)方法。

2）完成CAN總線主從分段網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及電氣部分的硬件設(shè)計(jì)。

3）針對(duì)建立的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的CAN總線數(shù)據(jù)幀格式。為解決多個(gè)工

作人員同時(shí)工作，避免同時(shí)于監(jiān)測(cè)主機(jī)通信時(shí)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)越區(qū)切換協(xié)議。

4）根據(jù)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型及硬件要求，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。完成收、發(fā)模塊軟件，區(qū)域

識(shí)別模塊、單片機(jī)接口程序及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)單元的抗干擾性能也進(jìn)行分

析、設(shè)計(jì)。

5）完成一套基于CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室組裝，利用檢測(cè)儀、監(jiān)控主機(jī)、收發(fā)模塊對(duì)

本課題所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬與測(cè)試，通過測(cè)試結(jié)果，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，使用

方便，具有良好的應(yīng)用前景。

2.4系統(tǒng)的主要功能

本課題所設(shè)計(jì)的基于CAN總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)以下幾大功能：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井中有害氣體的濃度、溫度、風(fēng)速、積水倉(cāng)水位等數(shù)據(jù)

將紅外多氣體檢測(cè)儀采集的甲烷、一氧化碳、二氧化碳濃度，溫度檢測(cè)儀檢測(cè)的溫度、

風(fēng)速檢測(cè)儀檢測(cè)的風(fēng)速、水位檢測(cè)儀檢測(cè)的積水倉(cāng)水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀封裝后經(jīng)過井下CAN

總線網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終傳送至監(jiān)控主機(jī)PC的操作平臺(tái)。計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)一步判

斷是否處于安全范圍內(nèi)，若超過規(guī)定閾值則自動(dòng)報(bào)警。

2）重要設(shè)備查詢和井下人員考勤功能

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將接收到的信息實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)可實(shí)時(shí)檢測(cè)井下人員及重要設(shè)

備的分布情況。通過操作平臺(tái)軟件可以查詢各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)所在具體位置并根據(jù)需要迅速進(jìn)行

人員及設(shè)備的調(diào)配。同時(shí)，利用保存在PC機(jī)中的數(shù)據(jù)也可實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤功能。

3）安全保障功能

丟失報(bào)警：工作人員工作超過規(guī)定時(shí)間，或者超過規(guī)定位置，將自動(dòng)報(bào)警并在操作平臺(tái)

上提供相關(guān)人員名單。

救護(hù)搜尋：礦難現(xiàn)場(chǎng)被困人員進(jìn)行搜尋和定位，便于開展救護(hù)工作。

4）信息聯(lián)網(wǎng)功能

作為整個(gè)煤礦的信息網(wǎng)的一部分，可以提供功能完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，隨時(shí)調(diào)用該煤礦在一段

時(shí)間內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(guān)人員和設(shè)備的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以利于科學(xué)研究和對(duì)人員設(shè)備等進(jìn)行管

理。

3基于CAN總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的選定

系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有如下特點(diǎn)：

1）系統(tǒng)能夠可靠工作，成本盡量低；

2）系統(tǒng)各個(gè)模塊功能應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，減少相互之間的耦合，防止一個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤影響整個(gè)

系統(tǒng)的正常工作；

3）該系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。對(duì)于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)而言，最關(guān)鍵的是要保

證通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.1.1幾種常用通信方式的比較

在測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備控制層常用的通信技術(shù)有RS-232、RS-485、現(xiàn)場(chǎng)總線等。隨著工業(yè)

以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備控制層將有可能采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。由于

RS-232在實(shí)際工作中已經(jīng)使用較少，不再作討論。下面主要對(duì)當(dāng)前比較流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

與工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行比較，選擇適合在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中使用的通信技術(shù)i⑷。

1）RS-485通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)

RS-485采用差分方式來傳輸數(shù)據(jù)，有效地抑制了共模干擾，提高了可靠性與通信距離。

RS-485拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，但僅實(shí)現(xiàn)了物理層協(xié)議，對(duì)于鏈路層沒有定義，缺乏總線仲裁、

錯(cuò)誤校驗(yàn)，可靠性措施等諸多網(wǎng)絡(luò)功能。采用RS-485組建的網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其余

均為從節(jié)點(diǎn)。這種主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)無(wú)法構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)或冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一旦主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故

障，整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對(duì)主節(jié)點(diǎn)的可靠性要求很高。另外，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信方

式為響應(yīng)型，任何一次數(shù)據(jù)傳輸都是主節(jié)點(diǎn)首先發(fā)出命令，從節(jié)點(diǎn)接到命令后，以相應(yīng)的方

式傳給主節(jié)點(diǎn)。這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低很多，并且使主節(jié)點(diǎn)控制器非常繁忙。

2）工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線

a）通信帶寬

以太網(wǎng)的通信速率較高，其標(biāo)準(zhǔn)帶寬為10Mbps,現(xiàn)在又流行100Mbps以及千兆的快速以

太網(wǎng)。而一般的現(xiàn)場(chǎng)總線都沒有超過12Mbps,表3T列出常用的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的最大帶寬?。

表3-1幾種現(xiàn)場(chǎng)總線的最大帶寬（單位：bps）

Tab.3-1severalfieldbuslargestbandwidth（BPS）unit:

現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUSFFLonworksHARTCAN

最大帶寬12M2.5M1.5M1.2MIM

從帶寬角度講，以太網(wǎng)較現(xiàn)場(chǎng)總線有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，在一般的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)通

信速率的要求并不是很高，現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率可以滿足要求。

b）傳輸短報(bào)文時(shí)帶寬利用率

在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一般站點(diǎn)之間的通信以交換短報(bào)文（由幾個(gè)字節(jié)組成）為主。以太

網(wǎng)的MAC（MediumAccessControl,媒體訪問控制）子層中，采用CSMA/CD（CarrierSense

MultipleAccesswithCollisionDetection,帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）協(xié)議。當(dāng)

一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送短幀時(shí)，有可能第一個(gè)尚未到達(dá)電纜的最遠(yuǎn)端就己經(jīng)完成發(fā)送，于是造成沖突

發(fā)生卻檢測(cè)不到的現(xiàn)象，導(dǎo)致通信無(wú)法正常進(jìn)行。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，必須對(duì)最短幀長(zhǎng)

度進(jìn)行限制。IEEE802.3協(xié)議中規(guī)定,對(duì)于長(zhǎng)度為2500m,擁有4個(gè)中繼器的10Mbps網(wǎng)絡(luò),

其最短幀長(zhǎng)為72字節(jié)隨著網(wǎng)絡(luò)速度的提高，其最小幀長(zhǎng)度必須增大，或者減小最大電纜

長(zhǎng)度。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以使幀長(zhǎng)度減小。以CAN2.0為例，其最短數(shù)據(jù)幀僅有44位，

最長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度為108位［⑶。

從以上比較可以看出，采用以太網(wǎng)來傳輸短報(bào)文，造成了很大的帶寬浪費(fèi)。使其用于傳

輸有用信息的速率大打折扣。

c）實(shí)時(shí)性

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)必須在確定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的站點(diǎn)。對(duì)于信道的訪問，以太網(wǎng)采用

CSMA/CD協(xié)議，這種協(xié)議不能確保報(bào)文何時(shí)到達(dá)目的站點(diǎn)。在一些對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，

報(bào)文的延遲將會(huì)造成嚴(yán)重后果。而現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的傳輸是確定性的，可以預(yù)知報(bào)文何時(shí)到達(dá)

目的站點(diǎn)［⑷。

d）對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性

以太網(wǎng)在總線上沒有電源，連接器脆弱。與大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)更容易受電磁

干擾以及射頻干擾。

e）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的支持

目前，支持以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有限，少量支持以太網(wǎng)的設(shè)備價(jià)格昂貴，導(dǎo)致整個(gè)工程的

成本過高。而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)而言，支持的廠家較多，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備選擇的余地較大，另外，

價(jià)格比較低廉。

從上述比較可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，另外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也是今后自動(dòng)化

領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的方向。因此，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)中擬采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層的

通信總線。

3.1.2現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是過程控制理論中的熱門話題，也是相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)，受到了世界范圍內(nèi)

的廣泛關(guān)注。在討論現(xiàn)場(chǎng)總線之前我們不妨先回憶一下過程控制領(lǐng)域的發(fā)展過程以及現(xiàn)場(chǎng)總

線的產(chǎn)生背景。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過程控制領(lǐng)域在過去的兩個(gè)世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變革。150

多年前出現(xiàn)的基于5、13Psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（PCS,PneumaticControlSystem氣動(dòng)控制系

統(tǒng)），標(biāo)志著控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念：20世紀(jì)50年代,隨著基于0^10mA

或4~20mA的電流模擬信號(hào)的模擬過程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動(dòng)控

制時(shí)代的到來，三大控制論（經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)控制理論）的確立奠定了現(xiàn)

代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀(jì)70年代，隨著

數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了“集中控制''的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號(hào)傳輸系統(tǒng)大部分是依

然沿用4~20mA的模擬信號(hào)，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著“集中控制”，該系統(tǒng)存在著易失控、

可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)（DCS,DistributedControlSystem

分布式控制系統(tǒng)）；微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣

泛的應(yīng)用，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，

而數(shù)字傳輸信號(hào)也在逐步取代模擬傳輸信號(hào)。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字

通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)

電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。設(shè)備之間彼

此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可維護(hù)性等都有更高的要求。由此，導(dǎo)致了

現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生比朝g。

信息技術(shù)的飛速發(fā)展引起了自動(dòng)化領(lǐng)域的深刻變革，逐步形成了網(wǎng)絡(luò)化的、全開放的自

動(dòng)控制體系結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場(chǎng)總線就是這場(chǎng)深刻變革中的核心技術(shù)。總線就是傳輸信息的公共通

道。什么是現(xiàn)場(chǎng)總線?經(jīng)典的定義是：應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)的雙

向串行數(shù)字通信系統(tǒng)；也可以定義為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信技術(shù)，可被廣泛應(yīng)用于制造

業(yè)、流程工業(yè)、樓宇管理、交通管理等自動(dòng)化系統(tǒng)中?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器植入傳

統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某些控制、通

信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)之間通過普通雙絞線等多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸，并與計(jì)算

機(jī)等節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化自控設(shè)

備之間，以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與用作監(jiān)控、管理的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，并

形成適應(yīng)實(shí)際需要的各種自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變

成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來了巨大

的變化，如同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Internet給單臺(tái)計(jì)算機(jī)用戶帶來的巨大變化。如果說計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

把人類引入到信息時(shí)代，那么現(xiàn)場(chǎng)總線則將自控系統(tǒng)與設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列，成為企

業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，使企業(yè)信息傳輸?shù)母采w范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。因此，現(xiàn)

場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著自動(dòng)化新時(shí)代的開端,聞。

3.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)

由于現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互聯(lián)系統(tǒng)，它一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了工業(yè)界的廣泛

使用，各個(gè)自動(dòng)化廠商也推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線。目前在全球范圍內(nèi)有著幾十種不同的現(xiàn)場(chǎng)

總線標(biāo)準(zhǔn)，其中得到廣泛應(yīng)用的幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線有：德國(guó)西門子公司的Profibus,美國(guó)

Rockwell自動(dòng)化公司的DeviceNet,ControlNet,現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的FF,德國(guó)Bosch公司的

CAN以及美國(guó)Echelon公司的LONWorks等。由于不同行業(yè)，不同的應(yīng)用場(chǎng)所需求各異，加上

要考慮已有各種現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的投資效益和各公司的商業(yè)利益，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，在現(xiàn)

場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域仍然會(huì)保持現(xiàn)在這種多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián)通訊的局面。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開放互聯(lián)系統(tǒng)，是現(xiàn)在總線

技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。自1988年開始，國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65C/wG6與美國(guó)儀表學(xué)會(huì)SP50

委員會(huì)本著協(xié)商一致的原則聯(lián)合制定工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定初期，由

于世界各國(guó)工業(yè)自動(dòng)化儀表公司的系列芯片、軟件技術(shù)和開發(fā)工具等各不相同，在關(guān)鍵技術(shù)

內(nèi)容上存在很大分歧，所以標(biāo)準(zhǔn)制定的進(jìn)程非常緩慢。

按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC/SC65c的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)

的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。根據(jù)使用場(chǎng)合和

用途不同，現(xiàn)場(chǎng)總線又分為H1低速現(xiàn)場(chǎng)總線和H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線。IEC/SC65c最初定義H1總

線為用于制造或過程區(qū)域的、通過兩根傳輸線向現(xiàn)場(chǎng)裝置供電的低速串行總線，H2總線為無(wú)

需解決兩線制供電，用于裝置間傳送信息的高速串行總線。H1和H2總線相輔相成，構(gòu)成了

完整的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)信息通信網(wǎng)絡(luò)。

IEC61158用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)于2000年初終于獲得通過，現(xiàn)場(chǎng)總線

之爭(zhēng)隨之退潮，IEC/SC65C/wG6現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)到此也完成了歷史使命。為了進(jìn)一步完

善IEC61158標(biāo)準(zhǔn)，IEC/SC65c成立了MT9現(xiàn)場(chǎng)總線修訂小組，繼續(xù)這方面的工作。MT9工作

組在原來8種類型現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上不斷完善擴(kuò)充，于2001年8月制定出由10種類型現(xiàn)場(chǎng)

總線組成的第三版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),它們是：TypelTS61158現(xiàn)場(chǎng)總線、Type2ControiNet和

Ethernet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線、Type3Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、Type4P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線、Type5FFHSE

現(xiàn)場(chǎng)總線、Type6Swift-Net現(xiàn)場(chǎng)總線、Type7WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線、Type8INTERBUS現(xiàn)場(chǎng)總

線、Type9FFHI現(xiàn)場(chǎng)總線以及TypelOPROFlnet現(xiàn)場(chǎng)總線，該標(biāo)準(zhǔn)于2003年4月成為正式

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。10種類型現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全不同的通信協(xié)議。但對(duì)EthernetTCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)

技術(shù)用于H2高速現(xiàn)場(chǎng)總線基本達(dá)成共識(shí)，Ethernet/IP,FFHSE和PROFlnet工業(yè)以太網(wǎng)技

術(shù)事實(shí)上已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已

開發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如，Interbus,Bithus,DeviceNet,Modbus,Arcnet,P-Net,

FIP,ISP等，其中最具影響力的有5種,分別是FF,Profibus,HART,CAN和Lon-Works"⑼。

3.1.4五種現(xiàn)場(chǎng)總線比較

主要比較五種影響力較大的現(xiàn)場(chǎng)總線："2"

1）FF（FoundationFieldbus,基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）

成立于1994年的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（FoundationFieldbus,FF）,致力于開發(fā)國(guó)際上統(tǒng)一

的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。FF的體系結(jié)構(gòu)參照ISO/OSI模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈

路層和應(yīng)用層，另外增加了用戶層。FF提供兩種物理標(biāo)準(zhǔn)：H1和H2。H1為用于過程控制的

低速總線，速率為31.25kbps,傳輸距離為200m,400m、1200m和1900m四種。H2的傳輸速

率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離分別為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞

線、同軸電纜和光纖，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。

2）Profibus（ProcessFieldbus）

作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十

幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。為在中國(guó)推廣應(yīng)用Profibus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，Profibus

中國(guó)用戶協(xié)會(huì)于1997年1月成立。Profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以iso/osi參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)第3?

6層進(jìn)行了簡(jiǎn)化。Profibus協(xié)議的第一部分是物理層和鏈路層協(xié)議。物理層采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)

通信規(guī)范，傳輸介質(zhì)為雙絞線；Profibus鏈路層又稱FDL,它采用混合介質(zhì)存取方式，即主

站間按令牌方式，主站和從站間按主從方式工作。Profibus協(xié)議的第二部分是應(yīng)用層協(xié)議

（FMS）,第三部分為DP協(xié)議，它們都使用相同的底層協(xié)議，用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域；FMS（應(yīng)

用層協(xié)議）定義了應(yīng)用層（第7層）的內(nèi)容。由于Profibus沒有第3?6層，所以這幾層的

必要功能在一個(gè)稱為“底層接口”（LLI）的模塊中完成，由LLI將這些功能映射到FMS中。

Profibus協(xié)議的第三部分是Profibus的DP協(xié)議，用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

它以Profibus-FDL（鏈路層）為基礎(chǔ)，根據(jù)其所需要達(dá)到的目標(biāo)對(duì)通信功能加以擴(kuò)充。因?yàn)?/p>

兩者使用相同的物理介質(zhì)，DP和FMS可混合工作。Profibus協(xié)議的第四部分是Profibus的

PA協(xié)議，適用于對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)合。Profibus產(chǎn)品有三類：FMS用于主站之間的通信;

DP用于制造行業(yè)從站之間的通信；PA用于過程行業(yè)從站之間的通信。

3）HART：（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）

HART：由美國(guó)Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng)用于智能變送器。HART：為一過渡性

標(biāo)準(zhǔn)，它通過在4?20mA電源信號(hào)線上疊加不同頻率的正弦波（2200Hz表示“0”，1200Hz

表示“1”）來傳送數(shù)字信號(hào)，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計(jì)其生命周

期為最近20年。

4）CAN（ControllerAreaNetwork,控制局域網(wǎng)絡(luò)）最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于

汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。CAN結(jié)構(gòu)模型取IS0/0S1模型的第1、2、7層協(xié)

議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。通信速率最高可達(dá)1Mbps,通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km。

物理傳輸介質(zhì)可支持雙絞線，最多可掛接設(shè)備110個(gè)。介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式,

適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開發(fā)工具廉價(jià)。Motorala.Intel.Philips均生產(chǎn)獨(dú)

立的CAN芯片和帶有CAN接口的80c51芯片。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺(tái)灣

研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。CAN在我國(guó)的應(yīng)用較早，我國(guó)華控技術(shù)公司基于CAN協(xié)議開發(fā)

了SDS智能分布式系統(tǒng)。

5）LonWorks（LocalOperatingNetwork,局部操作網(wǎng)絡(luò)）

由美國(guó)Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化和電力行業(yè)等。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的通信是米用一種稱為L(zhǎng)onTalk的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。LonTalk協(xié)議

由各種允許網(wǎng)絡(luò)上不同設(shè)備彼此間智能通信的底層協(xié)議組成。LonTalk采用全部7層協(xié)議，

介質(zhì)訪問方式為P-PCSMA（預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持載波監(jiān)聽多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，

優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通信的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，其最大傳輸速率為1.5Mbps,傳

距離為2700m,傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等，因此能構(gòu)建大型

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。由Echelon公司推出的Neuron神經(jīng)元芯片實(shí)質(zhì)為網(wǎng)絡(luò)型微控制器，封裝了

LonTalk協(xié)議在Neuron芯片中，內(nèi)含3個(gè)8位微處理器，分別負(fù)責(zé)介質(zhì)訪問控制、網(wǎng)絡(luò)處理

和應(yīng)用處理。該芯片強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信處理功能配以面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通信方式，大大降低了開

發(fā)人員在構(gòu)造應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信方面所需花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用，而可將精力集中在所擅長(zhǎng)的應(yīng)用層

進(jìn)行控制策略的編制，因此業(yè)內(nèi)許多專家認(rèn)為L(zhǎng)onWorks總線是一種很有希望的現(xiàn)場(chǎng)總線?；?/p>

于LonWorks的總線產(chǎn)品有美國(guó)Action公司的Flexnet&Flexlink等。

3.1.5通信網(wǎng)絡(luò)的選定

選擇一種現(xiàn)場(chǎng)總線，需要從成本、可靠性、通信速率等多個(gè)方面考慮。在成本上，Lonworks

與Profibus比較高。在通信速率上，HART較低，不能滿足礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求。而FF

實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，并且能夠兼容礦井常用設(shè)備的數(shù)量有限。CAN總線兼容Modbus協(xié)議，能夠很

好的與現(xiàn)存的RS-232、RS-485網(wǎng)絡(luò)及支持RS-232、RS-485協(xié)議的儀器儀表進(jìn)行通信，所以，

CAN是比較適中的一種現(xiàn)場(chǎng)總線囪。

3.2CAN總線簡(jiǎn)介

CAN,全稱為"ControllerAreaNetwork”,即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的

現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境的微控制通信，在車載各電子控制裝置ECU

之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。1993年，CAN就已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)

控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAN是一種串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有

高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km

時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)5kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。它具有以下特性：

1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高。

2）傳輸距離遠(yuǎn)（無(wú)中繼最遠(yuǎn)10km）,傳輸速率快（最高1Mbps）。

3）單條總線最多可接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，并可方便擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù)。

4）總線上各節(jié)點(diǎn)的地位平等，不分主從，突發(fā)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸。

5）非破壞總線仲裁技術(shù)，可多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線利用率高。

6）出錯(cuò)的CAN節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并切斷和總線的聯(lián)系，不影響和總線的通信。

7）報(bào)文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗(yàn)，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

8）對(duì)未成功發(fā)送的報(bào)文，硬件有自動(dòng)重發(fā)功能，傳輸可靠性很高。

9）具有硬件地址濾波功能，可簡(jiǎn)化軟件的協(xié)議編制。

10）通信介質(zhì)可用普通雙絞線、同軸電纜或光纖等。

11）CANBUS總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比極高。

3.3射頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)簡(jiǎn)介

射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification,以下簡(jiǎn)稱RFID）1231,技術(shù)是從20世紀(jì)

90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸通信，以達(dá)到短距離無(wú)線

數(shù)據(jù)通信的目的。

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括射頻識(shí)別標(biāo)簽和射頻信息解讀設(shè)備以及對(duì)采集到的射頻信

息進(jìn)行綜合處理的單片機(jī)管理控制部分。

射頻識(shí)別標(biāo)簽：㈤也稱射頻卡，由射頻收發(fā)模塊、控制模塊、外圍藕合元件及天線組成,

每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的識(shí)別碼，附著在待識(shí)別的物體上標(biāo)示目標(biāo)對(duì)象。

射頻信息解讀設(shè)備：也稱讀卡器，用以產(chǎn)生發(fā)射無(wú)線電射頻信號(hào)并接收由電子標(biāo)簽發(fā)射

回的無(wú)線電射頻信號(hào)，經(jīng)處理后獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。閱讀器除具

有射頻卡的功能外還必須留有接口方便與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。

工作原理：射頻識(shí)別技術(shù)的原理大致和將收音機(jī)的頻率調(diào)成和電臺(tái)的發(fā)射頻率一致來進(jìn)

行收音一樣。首先將解讀器的無(wú)線電波發(fā)射頻率與標(biāo)簽的接收頻率調(diào)成一致；然后解讀器向

標(biāo)簽發(fā)出電磁波信號(hào)讀取標(biāo)簽芯片中的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過標(biāo)簽返回的電磁波將信息帶回解

讀器（這時(shí)是模擬信號(hào)），之后解讀器對(duì)這個(gè)電磁波進(jìn)行解調(diào)，校驗(yàn)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字

信號(hào)通過接口傳給計(jì)算機(jī)。

3.4礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

3.4.1礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是由地面中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站、分支中繼器、井下監(jiān)控分站和各

種傳感器，以及通信介質(zhì)六部分組成。其中中心站負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和顯示從井下監(jiān)控分站傳

來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過各個(gè)井下分站發(fā)送各種配置命令和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

的控制命令；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和中心站計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換：分支

中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質(zhì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換；傳感器負(fù)責(zé)收集各種現(xiàn)

場(chǎng)環(huán)境安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通信介質(zhì)負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備的連接和信息

的傳遞。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分三級(jí)結(jié)構(gòu)：中心站一井下分站一傳感器。傳輸介質(zhì)根據(jù)傳輸距離不

同，可分段采用不同線纜，長(zhǎng)距離用光纖不加中繼器，或用電纜加中繼器，短距離則可只用

電纜不加中繼器。如果連接的節(jié)點(diǎn)總數(shù)大于110個(gè)，則也需加中繼器，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3T

所不。

章

m移動(dòng)節(jié)點(diǎn)?卜［移動(dòng)節(jié)點(diǎn)I

圖3-1礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

Fig.3-1mineenvironmentmonitoringsystemofgeneraldiagram

設(shè)備層：處于最底層的智能信息處理單元，由監(jiān)測(cè)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。各種底層的

監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過本安型網(wǎng)絡(luò)智能分站或中繼器，實(shí)現(xiàn)各種CAN總線數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)的

轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中，主要檢測(cè)儀器為內(nèi)置傳感器的紅外多氣體檢測(cè)儀、溫度檢測(cè)儀、風(fēng)速檢測(cè)

儀、水位檢測(cè)儀，這些檢測(cè)儀帶有CAN總線接口，可根據(jù)CAN2.0協(xié)議將檢測(cè)值封裝并發(fā)送至

CAN總線，它們可方便的掛接在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中。

其中，紅外多氣體檢測(cè)儀又分為兩種，一種為便攜式紅外氣體檢測(cè)儀（移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)），

另一種為固定接收節(jié)點(diǎn)。便攜式紅外氣體檢測(cè)儀（移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)）是基于MEMS紅外感應(yīng)原理

研制的礦下有害氣體濃度測(cè)量報(bào)警裝置，具有無(wú)線收發(fā)功能，可以由礦工隨身配帶，也可移

動(dòng)到指定位置安裝。井下固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要為無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)，也綁定了無(wú)線收發(fā)模塊，它自

身既可以測(cè)量周圍環(huán)境有害氣體的濃度，又可以接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳來的氣體濃度及攜帶者的身

份定位信息，再通過CAN總線與地面監(jiān)測(cè)主機(jī)通信。考慮到無(wú)線傳輸及區(qū)域切換的范圍，固

定節(jié)點(diǎn)以相隔一定距離的方式安置于巷道兩幫，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)之間實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，

二者共同組成井下“無(wú)線收發(fā)單元”。風(fēng)機(jī)、水泵、采煤機(jī)、皮帶機(jī)的控制、礦壓監(jiān)測(cè)儀器等

同樣也可以作為固定節(jié)點(diǎn)掛接在CAN總線上。

控制層：主要由CAN總線網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備組成，負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度、各控

制站點(diǎn)間的信息聯(lián)系和數(shù)據(jù)處理。是整個(gè)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心和聯(lián)系上（信息層）下（設(shè)

備層）兩層的紐帶。根據(jù)總線設(shè)備分布的特點(diǎn)，控制層又分為兩級(jí)，即主干網(wǎng)和子網(wǎng)，為解

決長(zhǎng)距離通信的問題，在總線適當(dāng)?shù)胤皆O(shè)置了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中繼器。

信息層：主要由地面控制主站組成，提供與低層設(shè)備的交互界面，通過上位機(jī)軟件、網(wǎng)

絡(luò)中繼和CAN總線，訪問和控制井下各個(gè)檢測(cè)儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、

顯示、報(bào)警、處理、分析、報(bào)表打印等。一方面支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如瓦斯（甲烷）、一氧

化碳、二氧化碳濃度，溫度，風(fēng)速，積水倉(cāng)水位等信號(hào)的傳輸，真正實(shí)現(xiàn)礦井監(jiān)測(cè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)

化；另一方面，也支持非實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，例如監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)下載，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制程序

上載等。

在進(jìn)行基于CAN總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用如下措施：通過可靠性設(shè)計(jì)提

高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠性；采用智能監(jiān)控站或網(wǎng)橋的分段結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以提高整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可恢復(fù)

性；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視和診斷、維護(hù)管理，使得本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的魯棒性和冗余措

施，可保證突發(fā)事件下能安全可靠運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：井上部分和井下部分，如圖3-1所示。

1）井下部分：

井下部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為兩個(gè)部分：移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和固定接收節(jié)點(diǎn)，二者共同

組成井下“無(wú)線收發(fā)單元”。

移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為綁定了無(wú)線收發(fā)模塊的紅外多氣體檢測(cè)儀，可以在工作人員移動(dòng)過程中

進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)值和自身的地址碼發(fā)送至固定節(jié)點(diǎn)。

固定接收節(jié)點(diǎn)為綁定了無(wú)線收發(fā)模塊的紅外多氣體檢測(cè)儀、溫度檢測(cè)儀、水位檢測(cè)儀（也

可以為其他儀器，如礦壓檢測(cè)儀表、頂板離層儀等），不同的是固定接收節(jié)點(diǎn)自身具有CAN總

線數(shù)據(jù)接口，它每間隔特定距離固定安置在巷道兩幫，固定節(jié)點(diǎn)與地面監(jiān)控主機(jī)之間采用CAN

總線通訊方式。

無(wú)線接收單元的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：

CAN總線

無(wú)線收發(fā)模塊

固定節(jié)點(diǎn)A

巷巷

道無(wú)線覆蓋區(qū)域道

移動(dòng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)

無(wú)線收發(fā)模塊

圖3-2井下無(wú)線收發(fā)單元結(jié)構(gòu)圖

Fig.3-2undergroundwirelesstransceiverunitstructure

井下無(wú)線收發(fā)單元中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)相互之間是無(wú)線傳輸。無(wú)論是移動(dòng)還是固定,

每個(gè)射頻模塊都有自己特殊的地址碼，與其它模塊均不相同。在與固定節(jié)點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)

行通信時(shí)，數(shù)據(jù)幀里就包含這個(gè)特殊的地址碼，監(jiān)控主機(jī)的軟件平臺(tái)已經(jīng)將固定節(jié)點(diǎn)的位置

信息進(jìn)行了登記和存儲(chǔ)。當(dāng)上傳的信息包含有與它們進(jìn)行無(wú)線通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的地址碼信息

時(shí)，就表明PEIDAI佩帶和安裝該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的人員及設(shè)備很接近該固定節(jié)點(diǎn)，從而判斷出移動(dòng)

人員的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）井上部分

井上部分主要是軟件操作平臺(tái)，按照功能劃分為2個(gè)子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件和信息管理

軟件。

實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是整個(gè)礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管主機(jī)的RS-232接口通過RS-232/CAN

接口適配器與井下CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的信息采集、實(shí)時(shí)

處理和存儲(chǔ)。從井下上傳的信息不但包括瓦斯（甲烷）、一氧化碳、二氧化碳濃度，溫度，風(fēng)

速，積水倉(cāng)水位等數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設(shè)備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過壓

縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。管理軟件的主要功能是對(duì)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)信息的

錄入、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)。

在本設(shè)計(jì)研究過程中，使用Windows自帶的“超級(jí)終端”程序暫時(shí)充當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。

3.4.2礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過程

礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作過程可分為上行通信和下行控制兩個(gè)過程。

上行通信：工作人員使用手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在行進(jìn)過程中檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，檢測(cè)值由無(wú)線收發(fā)

模塊發(fā)送至巷道兩幫固定位置安裝的固定接收節(jié)點(diǎn)。

固定節(jié)點(diǎn)始終處于開啟狀態(tài)，固定接收節(jié)點(diǎn)接收到來自手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測(cè)值后將

其存儲(chǔ)，并由其內(nèi)部單片機(jī)將數(shù)據(jù)重新封裝后經(jīng)CAN總線發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)。在未與手持移動(dòng)

節(jié)點(diǎn)建立鏈接時(shí)，固定節(jié)點(diǎn)可自我檢測(cè)周圍環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)將檢測(cè)值發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控

主機(jī)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并將一步判斷是否處于安全范圍內(nèi)，若超過規(guī)定閾值則井上工作平

臺(tái)及井下固定節(jié)點(diǎn)同時(shí)報(bào)警。

下行控制：監(jiān)控主機(jī)通過CAN總線將相關(guān)控制信息發(fā)給固定節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、

采煤機(jī)、皮帶機(jī)、礦壓監(jiān)測(cè)儀器、氣體監(jiān)測(cè)儀器等的查詢和開關(guān)。或者固定節(jié)點(diǎn)將查詢指令

無(wú)線傳輸給手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人員定位、查詢等下行控制。

4礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1CAN總線結(jié)構(gòu)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1.1CAN總線電氣防爆技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

通過上兩章的介紹，可以看出CAN具有無(wú)主或多主方式工作、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸介質(zhì)無(wú)特

殊要求、節(jié)點(diǎn)數(shù)多、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于CAN本身是一種非防爆性質(zhì)的

現(xiàn)場(chǎng)總線，并且不可能使用同一根電纜連接所有節(jié)點(diǎn)，因此，還必須從電氣防爆、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

及遠(yuǎn)距離通信等方面加以解決。CAN總線的傳輸介質(zhì)有許多，如光纖、同軸電纜、普通雙絞

線等。而能用于井下傳輸?shù)慕橘|(zhì)比較少，可用的有光纖、同軸電纜等。本設(shè)計(jì)考慮到節(jié)約成

本，兼顧安全，采用普通礦用電話4芯電纜，其中2芯電纜用于向節(jié)點(diǎn)設(shè)備供電，另外2芯

電纜用于信號(hào)傳輸。

通過分析，有兩種技術(shù)方案可以解決CAN總線電氣防爆問題，一種為統(tǒng)一供電法，另一

種為隔離供電法闔雨。

1）統(tǒng)一供電法

統(tǒng)一供電法就是節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作電源全部由總線統(tǒng)一提供，如圖4T所示。此方法的優(yōu)

點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)設(shè)備電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是總線上所接節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。因?yàn)槊旱V通常使用的ibl本質(zhì)安

全型電源的輸出功率受到防爆要求的限制，供電電纜的分布參數(shù)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的儲(chǔ)能元件（電

感和電容）進(jìn)一步限制了電源的輸出功率，由于節(jié)點(diǎn)工作電源和傳輸電源使用同一本安電源

供電，而節(jié)點(diǎn)的工作電流往往比傳輸電流開銷更大，導(dǎo)致了總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少。

本

路

安傳輸電

電

源

路

其它電

備

節(jié)點(diǎn)設(shè)

電法

統(tǒng)一供

圖4T

law

ower

fiedp

1uni

Fig.4-

一般不

傳感器

而礦用

情況，

互連的

傳感器

將智能

總線

用CAN

備級(jí)

在設(shè)

合于

法適

供電

統(tǒng)一

。

地供電

站遠(yuǎn)

由分

電，需

地供

能就

電法

隔離供

2）

電

，通過

電源

傳輸