徐廣華

【摘要】根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術(shù)提高監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的方法。本文主要介紹煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠性的設(shè)計，該系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定，是煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的最佳選擇。

【關(guān)鍵詞】煤礦安全；監(jiān)測系統(tǒng)；通信可靠性

以保障員工人身安全為中心的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)永恒的主題，研制新型的安全監(jiān)控和人員定位系統(tǒng)是保證礦井和人員安全，并在突發(fā)事件后實現(xiàn)快速救援的重要手段。所以，結(jié)合礦山環(huán)境監(jiān)測與井下人員/機車的位置，采用先進的技術(shù)，構(gòu)建包括綜合環(huán)境監(jiān)測和人/車定位控制在內(nèi)的一整套綜合監(jiān)測系統(tǒng)，這無疑將提高煤礦的安全監(jiān)測預警水平，提高突發(fā)事故應(yīng)急處理能力，促進在整個煤炭工業(yè)中，安全生產(chǎn)監(jiān)控的自動化、智能化和信息化。

一、煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

（一）安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒發(fā)的《煤礦安全監(jiān)測控制系統(tǒng)通用技術(shù)要求》和有關(guān)技術(shù)標準，以便更好地解決現(xiàn)有監(jiān)測和控制系統(tǒng)存在的主要問題，它為煤礦企業(yè)提供了綜合環(huán)境監(jiān)測和人/車定位管理功能的礦井綜合監(jiān)測平臺。本文結(jié)合電子技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)和計算機技術(shù)，利用智能傳感器作為現(xiàn)場檢測設(shè)備，構(gòu)建礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架。該系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)測中心站（主機）、監(jiān)測分站、智能傳感器等測控模塊。在距離較遠的監(jiān)控中心站與監(jiān)測分站之間采用CAN總線通信方式。CAN（控制器局域網(wǎng)）總線協(xié)議是德國BOSCH公司首先開發(fā)的，用于解決汽車控制部件與測量儀器之間的數(shù)據(jù)交換。它已應(yīng)用于交通、國防、工程等許多領(lǐng)域。CAN是一種多主總線，最長傳輸距離為10km，最大通信速率為1Mbps。由于現(xiàn)有的大部分智能傳感器產(chǎn)品都配備了RS-485總線接口，且沒有配備CAN總線接口，RS-485總線可以在不加中繼器的情況下最長輸送1200米的距離，可以覆蓋一個巷道或采礦面/掘進面。所以，考慮到技術(shù)的可行性和成本的適宜性，在距離與監(jiān)測距離很近能夠采用RS-485總線可用于變電站與智能傳感器之間的通信。傳感器的類型包括氣體（甲烷）濃度、C0濃度、水壓、水位、位移和應(yīng)力、路面、溫度、濕度、風速、負壓等。

（二）安全監(jiān)控技術(shù)的研究

近些年來，我們國家的狂進安全監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)取得了快速的發(fā)展，各類技術(shù)裝備在確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，與此同時也存在一些不足。綜上所述，過去投入運行的監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)存在缺陷一般有以下幾點。

（1）井下分站通常使用對井下瓦斯的監(jiān)控，或監(jiān)測環(huán)境安全參數(shù)和設(shè)備的開/停狀態(tài)，包括瓦斯?jié)舛龋约霸S多重要的環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)條件不包括在監(jiān)測監(jiān)控范圍。（2）許多安全監(jiān)控系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)是基于RS-485總線的，傳輸距離和傳輸速度非常有限。根據(jù)煤炭行業(yè)新的標準：井下分站與井下分站間、井下分站與井上主機接口間的傳輸距離在不加中繼的狀況下不能小于10km，所以，傳統(tǒng)的485總線技術(shù)不能滿足傳輸距離和安裝數(shù)量的要求。（3）大多數(shù)地下車站通常只覆蓋對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測/監(jiān)控，以及生產(chǎn)和運行的條件，但在事故發(fā)生后可以指出最佳的救援路線。需要再投資的人/汽車定位監(jiān)測系統(tǒng)用于救援和撤離人員和設(shè)備。由于信息不足，不能保證監(jiān)測和救援工作的有效協(xié)同。

二、提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠性的設(shè)計

（一）雙CAN冗余硬件設(shè)計

雙CAN冗余的工作原理就是系統(tǒng)使用兩條完全獨立的CAN總線，PHY、MAC的全面冗余。一個作為主CAN，另一個能夠作為從CAN，二者交替或是同時工作。初始化時預先設(shè)定好主從CAN的優(yōu)先級別。在正常工作中，數(shù)據(jù)通過主CAN發(fā)送。當主CAN總線繁忙或錯誤時，它從CAN開始。相反，當CAN總線繁忙或故障時，它切換到主CAN進行數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高了效率，減少了數(shù)據(jù)丟失。此外，當數(shù)據(jù)量非常大且實時要求非常高時，主CAN從也可以同時被激活以增加總線帶寬。本設(shè)計采用STM公司的STM32F107VCT6微控制器。其內(nèi)部集成了2個獨立的CAN控制器，因為控制器集成在芯片內(nèi)部而不是擴展，大大減少了外部干擾，提高了通信質(zhì)量，簡化了外圍電路。

（二）雙CAN冗余的可靠性分析與測試

本文對雙CAN冗余技術(shù)進行了理論分析與試驗測試，假設(shè)每路CAN總線的故障率相同。用指數(shù)分布來描述電子元器件的壽命，采用雙線冗余設(shè)計使CAN增加了50%的通信故障平均時間。雙CAN冗余系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵指標是總線交換時間，它等于檢測錯誤所需時間與處理故障總線未發(fā)送報文所需時間之和。切換時間越短，總線故障對消息傳輸造成的延遲越小。檢測錯誤所需的時間是從總線錯誤到冗余程序所需的時間。實驗表明，在125kbps位速率下發(fā)送8字節(jié)長度消息總線的傳輸時間為2280ms，跟理論計算值比較接近，但在實際應(yīng)用中，發(fā)送報文獲取仲裁所需的等待時間遠大于切換時間，總線故障并不頻繁發(fā)生，冗余切換算法對系統(tǒng)的運行并無顯著影響。

三、結(jié)語

總之，根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術(shù)提高監(jiān)測系統(tǒng)通信可靠性的方法，對于復雜環(huán)境、傳輸速率低、距離遠，而且要求實時性、準確性很高的煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，采用雙CAN技術(shù)是一種非常理想的選擇。

參考文獻

[1]賀鑫.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析及優(yōu)化研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018（04）：91～92.