【摘要】隨著科技的不斷進步，煤礦企業(yè)的綜合管理水平及自動化監(jiān)控技術(shù)水平都有了顯著的提高。本文以陜西省神木縣某煤礦企業(yè)為例，詳細闡述了煤礦通信設備的組成及煤礦企業(yè)對通信設備的要求，基于此引入了隔離式CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計。隔離式CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠減少信號失真和誤差，進一步提高了系統(tǒng)的兼容性，有效降低了系統(tǒng)和元件受系統(tǒng)電壓的影響，使煤礦通信設備避免受損，降低了企業(yè)的運營成本。

【關(guān)鍵詞】煤礦通信；CAN總線網(wǎng)絡；功能分析

1、前言

隨著社會的飛速發(fā)展，科技的不斷進步，煤礦企業(yè)的綜合管理水平及自動化監(jiān)控技術(shù)水平都有了顯著的提高。傳統(tǒng)的煤礦設備由于體積大、質(zhì)量高、故障率高、信號差等缺點已不能滿足于新時代煤礦企業(yè)的需求?；诖?，本文作者以陜西省神木縣某煤礦企業(yè)為例進行闡述，主要是在現(xiàn)有通信設備上引入了隔離式CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計。本文針對通信電纜系統(tǒng)容易受過壓瞬變和接地環(huán)路的干擾和破壞等不利影響，基于隔離式CAN總線網(wǎng)絡設計了煤礦設備與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入通信系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對隔離式CAN網(wǎng)絡控制器的參數(shù)進行詳細的分析，有效提高了系統(tǒng)的兼容性能，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的信息互通，提高了設備的利用率，降低了企業(yè)的運營成本。因此，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

2、煤礦通信設備的組成及要求

2.1煤礦通信設備的組成

眾所周知，煤礦通信設備在煤礦企業(yè)中起到了至關(guān)重要的作用，它能夠保證煤礦生產(chǎn)、安全及經(jīng)營的需要。因此，一個現(xiàn)代化的煤礦企業(yè)在通信方面必須要做到行政與調(diào)度的有利互補，有線和無線通信手段的相互配套，只有這樣才能提高通信設備的利用率。具體來說，煤礦通信設備主要由行政交換機、生產(chǎn)調(diào)度交換機和監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。行政通信系統(tǒng)：主要為煤礦的生產(chǎn)、經(jīng)營及管理提供通信保障，行政通信系統(tǒng)在煤礦通信網(wǎng)中占據(jù)主導地位。特別是在如今的市場經(jīng)濟時代，行政通信不能僅僅滿足于接打電話的現(xiàn)狀，更要站在大通信、可運營的高度，重點考慮設備運行的可靠性、增值業(yè)務的開發(fā)能力、綜合計費能力等，不斷滿足煤礦通信走向市場的需要，使得煤礦通信朝著可運營的方向邁進。生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)：該系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)管理中的重要設備之一，在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在地面它是行政通信系統(tǒng)不可缺少的重要補充部分，而且在煤礦生產(chǎn)規(guī)程中明確規(guī)定，在地面一些重點部位必須要安裝行政、生產(chǎn)兩套通信設備，保證在一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一個系統(tǒng)能夠及時滿足生產(chǎn)經(jīng)營的需要。在井下，生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)則是主要的通信手段，井下各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息都是通過該系統(tǒng)來傳遞的。計算機、安全監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)：礦井計算機、安全監(jiān)測、監(jiān)控等配套系統(tǒng)種類繁多，傳輸?shù)男盘栆哺饔胁煌?。在具體執(zhí)行過程中，我們會要求系統(tǒng)內(nèi)的各種信息要及時傳遞到主調(diào)度室，同時部分信息要進入生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)以供有關(guān)部門掌握，所以生產(chǎn)調(diào)度通信系統(tǒng)必須要具備較高的兼容性。

2.2煤礦通信設備的要求

煤礦生產(chǎn)主要在地下作業(yè)，而地下的工作環(huán)境又比較惡劣，不安全因素較多，人員、設備的流動性較大。受上述諸多因素影響，煤礦企業(yè)必須要對通信設備提出較高的要求。首先，煤礦生產(chǎn)受諸多特殊因素影響，我們必須要保證信息的傳輸通道順暢，傳輸?shù)男畔⒓皶r、準確。這就需要我們在煤礦生產(chǎn)過程中把專業(yè)調(diào)度系統(tǒng)擺在十分突出的位置，使通信設備既能滿足井下的安全、生產(chǎn)需要，又能滿足地面的指揮、管理等需求。另外，我們還要建立生產(chǎn)、洗煤專業(yè)調(diào)度通信系統(tǒng)，并使其與專業(yè)調(diào)度系統(tǒng)相互成網(wǎng)，進而實現(xiàn)信息的相互傳遞。其次，煤礦通信設備必須要滿足新形勢下煤礦企業(yè)對通信信息量的需求。在計劃經(jīng)濟時代，煤礦企業(yè)與外部的通信信息量較小，到了如今的市場經(jīng)濟時代，煤礦企業(yè)對外交往越來越頻繁，各煤礦之間的交流也不斷增多。因此，我們在進行通信系統(tǒng)的建設時必須要充分認識到信息量的變化，使網(wǎng)絡設計既能滿足煤礦企業(yè)的內(nèi)部生產(chǎn)、經(jīng)營需要，又能夠滿足對外溝通的需要。最后，煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)倍受多方重視，這就要求我們必須逐步完善井下的通信網(wǎng)絡，提高通信技術(shù)水平，尤其是井下應急通信系統(tǒng)。

3、網(wǎng)絡通信在煤礦通信中的應用

煤礦通信系統(tǒng)具有數(shù)字式語音雙向無阻塞通信，一鍵到位，組呼、全呼、選呼、強拆、強插、監(jiān)|聽，緊呼（緊急聲燈告警），調(diào)度臺中文名稱顯示及位置，自動錄音功能（可保薦1年以上），通話歷史記錄查詢等煤礦調(diào)度通信系統(tǒng)行業(yè)基本功能（國家驗收標準功能），還具有內(nèi)外線多方電話會議，IP融合通信，一鍵外呼直撥電話、集團彩鈴、語音留言等等功能。隨著煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)代化程度不斷提高，對通信手段、系統(tǒng)功能的要求也在不斷增多。保證通信信息能夠及時、準確、快速的傳遞對于煤炭生產(chǎn)、經(jīng)營來說極為重要。光纜、數(shù)字微波、數(shù)字程控交換機應該在礦井通信系統(tǒng)得到廣泛的應用，而且寬帶上網(wǎng)、無線通信、圖像傳輸?shù)仍诘V井也要得到基本的普及。

3.1隔離式CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng)設計

1000M工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)是現(xiàn)代化煤礦通信的骨干網(wǎng)絡，我們可以在該網(wǎng)絡中接入各種監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)，進而對井下的作業(yè)環(huán)境、安全生產(chǎn)等進行有效的監(jiān)控。此外，我們還可以將有線IP電話和無線移動電話，數(shù)字視頻系統(tǒng)及人員定位系統(tǒng)接入到該網(wǎng)絡中，充分發(fā)揮以太環(huán)網(wǎng)在煤礦通信中的作用。一般來說，我們會通過工業(yè)級交換機給工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)提供接口，使得全礦地面及井下各子系統(tǒng)與主干網(wǎng)之間實現(xiàn)方便靈活的連接；而地面調(diào)度控制中心則是通過服務器實現(xiàn)對礦山各個系統(tǒng)的監(jiān)控，及時了解工作人員的安全狀況和設備的工作狀態(tài)等。

CAN總線網(wǎng)絡分別被分布在地面和井下，為了完成對地面及井下主要工作區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋，我們必須通過網(wǎng)關(guān)將其分段接入骨干網(wǎng)。CAN總線網(wǎng)絡的應用范圍比較廣、適應性比較強，不但可以實現(xiàn)對移動變電站、采煤機等關(guān)鍵設備的分布式移動進行監(jiān)測，還可以對礦山的自然環(huán)境、災害等進行監(jiān)測，甚至可以成為語音及視頻的傳輸通道。但是，在具體操作過程中，由于我們將多個不同的子系統(tǒng)與CAN總線系統(tǒng)進行連接，而且線纜鋪設距離很長，所以我們必須將CAN總線和所有接入的系統(tǒng)之間做好有效的隔離，只有這樣才能分散CAN總線電纜網(wǎng)絡與接入各子系統(tǒng)的電壓，防止過壓瞬間給整個網(wǎng)絡造成破壞。另外，有效的隔離還能減少信號的失真與誤差，有效消除網(wǎng)絡中的接地環(huán)路，防止電壓多大對整個電路造成的影響，因此，采用隔離式CAN總線網(wǎng)絡對整個煤礦通信系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用。我們在對CAN總線網(wǎng)絡進行電路設計時，必須要通過連接電阻使其達到隱性的狀態(tài)，然后通過CANH及CANL的有效組合再使其達到顯性的狀態(tài)。但是，由于數(shù)字隔離器不支持這種信號標準，所以我們無法在CAN總線收發(fā)器和電纜之間應用數(shù)字隔離器。基于此，科技人員就在數(shù)字隔離器的基礎(chǔ)上研究出了ADM3052，它既是一種隔離式控制器也是一種區(qū)域網(wǎng)絡物理層的收發(fā)器，更是集成隔離DC/DC的轉(zhuǎn)換器，而且符合ISO 11898標準。ADM3052主要是應用ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，在CAN總線配置與各子系統(tǒng)之間提供5KVrms隔離，而且ADM3052具有CAN總線網(wǎng)絡所要求的物理層特性，通過在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個接口來實現(xiàn)CAN總線與各子系統(tǒng)之間的有效隔離。具體如圖1所示。

3.2隔離式CAN網(wǎng)絡通信參數(shù)分析

總體來說，隔離式CAN網(wǎng)絡的傳播延遲要大于非隔離式CAN網(wǎng)絡的傳播延遲，但ADM3052卻能以最高1Mbps的數(shù)據(jù)速率進行工作，它的傳播延遲要明顯小于光耦。傳播延遲越短意味著CAN總線與各子系統(tǒng)之間的信號響應時間越快，工作效率越高，而且這在系統(tǒng)的仲裁期間起到了至關(guān)重要的作用，因為每個節(jié)點必須自行判斷哪一條消息享有優(yōu)先權(quán)，進而控制總線。所以，數(shù)據(jù)的傳播速率和CAN總線的線路最大值均依據(jù)傳播延遲時間來決定。

通常情況下，一個CAN比特由四個相互獨立的時間段組成，分別為同步段、傳播段、相位段1和相位段2，這些獨立的時間段就可以在CAN總線中實現(xiàn)獨立編程。但是，不同的子系統(tǒng)都可以對總線進行訪問，它們?yōu)榱藸帄Z訪問權(quán)會同時傳輸數(shù)據(jù)，而此時的CAN就會采用逐位仲裁的方式進行判斷。傳輸節(jié)點則是通過對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行采樣來判斷自己是否贏得仲裁，所以為了規(guī)避系統(tǒng)的傳播延遲，CAN總線控制器必須對各位的采樣時間進行補償，補償?shù)耐緩骄褪窃诳刂破髦性O置PROP—SEG。下面我們進行如下假設，假如此時的電纜長度為20m，數(shù)據(jù)速率或比特率為1Mbps，電纜傳播延遲為5ns/m，CAN控制器振蕩器的頻率為36MHz。但是對于ADM3052來說，從TxD到RxD的傳播延遲為250ns，是延遲中的最大值，而電纜的物理延遲等于5ns/m，電纜長度為20m，5ns/m*20m=100ns。根據(jù)計算我們可以看出，通過系統(tǒng)并返回到總控制器的總傳播時間為：2（傳播延遲+收發(fā)器傳播延遲）=2×（100+250）=700ns。

我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)對控制器的編程，就必須將寄存器設置為“時間量子”的整數(shù)倍。一般時間量子的時長與CAN系統(tǒng)時鐘的時間周期相等，被設置為28ns。我們對28ns的時間量子進行分析，其中每位都包括36（1000/28=36）個時間量子。PROP_SEG=ROUND_UP（700ns/28 ns）=25個時間量子。接下來，我們從每位的36個時間量子中減去用于PROP_SEG的25個時間量子和用于SYNC_SEG的1個時間量子，然后將剩余的時間量子分配給PHASE_SEGl和PHASE—SEG2，每段5個。但是，由于CAN系統(tǒng)時鐘存在容差，所以會出現(xiàn)累積相位的誤差，這就要求系統(tǒng)必須通過再同步跳躍（RJW）同步，使得RJw為4和PHASE_SEGl二者中的較小值，只有這樣才能實現(xiàn)對控制器的編程。

3.3通信協(xié)議

在具體的CAN2.0規(guī)范中，我們只對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進行定義，并未對ISO參考模型中的其他層結(jié)構(gòu)進行定義。因此，為了提高CAN總線網(wǎng)絡的兼容性，使得不同生產(chǎn)廠家的電氣設備都能在網(wǎng)絡中實現(xiàn)通信，我們還應該在系統(tǒng)的應用層采用CANopen作為CAN的網(wǎng)絡通信協(xié)議，這有這樣才能實現(xiàn)不同設備之間的互通有無，提高了系統(tǒng)的兼容性及使用效率，避免出現(xiàn)“信息孤島”的情況，提高了信息的利用率。一般來說，系統(tǒng)通常會采用CANopen作為CAN的網(wǎng)絡通信協(xié)議，然后通過網(wǎng)關(guān)使多個CANopen在網(wǎng)絡中實現(xiàn)相互通信。網(wǎng)關(guān)在EtherNet網(wǎng)絡中是TCP Server，而在CANopen網(wǎng)絡中則是CANopen的主站，因此可以使多個CANopen在站與具有TCP Client設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。因此，CANopen在CAL基礎(chǔ)上繼承了CAL的通訊和服務協(xié)議子集，所以，CANopen標準也包括了通訊和設備子協(xié)定、尋址方案，而且它不但支持設備監(jiān)控及網(wǎng)絡管理還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點間的通訊。

一般來說，一個CANopen設備至少由對象字典、通信接口和應用程序三部分組成，它們之間具有一定的聯(lián)系。其中，CANopen通過通信協(xié)議接口實現(xiàn)對總線上通信信息的收發(fā)，通過交換通信對象來完成不同CANopen設備間的通信。通常我們會在CANopen協(xié)議中定義4種通信對象（通信模式），主要用于對不同作用的信息進行處理，這4種通信對象分別為：NMT對象（網(wǎng)絡管理對象）、SDO對象（服務數(shù)據(jù)對象）、PDO對象（過程數(shù)據(jù)對象）、特殊功能對象。四種通信對象的主要功能如下：對象字典主要用來設定設備的組態(tài)，并實現(xiàn)非即時通訊，對象字典通常由16位元索引變量陣列構(gòu)成，然后通過變量對設備的組態(tài)進行調(diào)整。為了支持必要的網(wǎng)絡管理服務，在CANopen設備中至少需要一個服務數(shù)據(jù)對象SDO（Service Da_ta Object）。CANopen可以采用master/slave、client/server和producer/consumer三種通信模型來實現(xiàn)設備間的通信。其中，在SDO協(xié)定中對client/server模型進行定義，SDO client的主要功能就是將對象字典的索引及子索引傳送給SDO server，SDO封包就是在此過程中產(chǎn)生的。producer/consumer通信模型設備則至少需要一個過程數(shù)據(jù)對象PDO（Process DataObject），系統(tǒng)通過PDO協(xié)議可以在多個節(jié)點對信息實現(xiàn)即時交換。為了提高CANopen設備的兼容性，我們在對CANopen設備進行設計時一定要滿足各子系統(tǒng)的一致性、互用性和互換性的需求，使CANopen設備通過狀態(tài)機（state machine）的控制實現(xiàn)設備的啟動和重置。狀態(tài)機一般包括如下幾個狀態(tài)：初始化，預操作，操作和停止四個狀態(tài)。當CANopen設備接收到網(wǎng)絡管理（NMT）通訊對象時就會根據(jù)狀態(tài)變更命令，此時狀態(tài)機也會轉(zhuǎn)換到對應的狀態(tài)。

4、結(jié)論

近年來，隨著科技的不斷進步，煤礦企業(yè)正在向現(xiàn)代化的方向逐步推進，井下的通信設備及監(jiān)控設備也越來越多，CAN總線網(wǎng)絡憑借其較高的靈活性和高抗噪聲干擾能力使得該協(xié)議更適用于煤礦各系統(tǒng)間的通信。本文針對通信電纜系統(tǒng)容易受過壓瞬變和接地環(huán)路的干擾和破壞等不利影響，基于隔離式CAN總線網(wǎng)絡設計了煤礦設備與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入通信系統(tǒng)，并對隔離式CAN網(wǎng)絡控制器的參數(shù)進行詳細的分析，盡可能使其以1Mbps的速度運行，對于CAN網(wǎng)絡應用層的通信協(xié)議，我們?nèi)匀徊捎肅ANopen協(xié)議。在具體應用過程中，我們將隔離式CAN網(wǎng)絡用于不同系統(tǒng)間的煤礦長距離的串行通信，然后通過數(shù)字的方式將CAN總線及與其相連的各子系統(tǒng)隔離開來，進一步減少了信號失真和誤差，有效降低了系統(tǒng)和元件受系統(tǒng)電壓的影響。與此同時，CANopen在保證網(wǎng)絡節(jié)點互用性的基礎(chǔ)上能隨意擴展節(jié)點的功能，充分保障了在煤礦惡劣的作業(yè)環(huán)境中提高礦井通信的實時性和物理安全性。

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