煤矿通信常用的设备与功能分析

【摘要】随着科技的不断进步，煤矿企业的综合管理水平及自动化监控技术水平都有了显著的提高。本文以陕西省神木县某煤矿企业为例，详细阐述了煤矿通信设备的组成及煤矿企业对通信设备的要求，基于此引入了隔离式CAN网络通信系统设计。隔离式CAN网络系统能够减少信号失真和误差，进一步提高了系统的兼容性，有效降低了系统和元件受系统电压的影响，使煤矿通信设备避免受损，降低了企业的运营成本。

【关键词】煤矿通信；CAN总线网络；功能分析

1、前言

随着社会的飞速发展，科技的不断进步，煤矿企业的综合管理水平及自动化监控技术水平都有了显著的提高。传统的煤矿设备由于体积大、质量高、故障率高、信号差等缺点已不能满足于新时代煤矿企业的需求。基于此，本文作者以陕西省神木县某煤矿企业为例进行阐述，主要是在现有通信设备上引入了隔离式CAN网络通信系统设计。本文针对通信电缆系统容易受过压瞬变和接地环路的干扰和破坏等不利影响，基于隔离式CAN总线网络设计了煤矿设备与工业以太环网的接入通信系统，在此基础上对隔离式CAN网络控制器的参数进行详细的分析，有效提高了系统的兼容性能，实现了各子系统之间的信息互通，提高了设备的利用率，降低了企业的运营成本。因此，具有一定的理论和现实意义。

2、煤矿通信设备的组成及要求

2.1煤矿通信设备的组成

众所周知，煤矿通信设备在煤矿企业中起到了至关重要的作用，它能够保证煤矿生产、安全及经营的需要。因此，一个现代化的煤矿企业在通信方面必须要做到行政与调度的有利互补，有线和无线通信手段的相互配套，只有这样才能提高通信设备的利用率。具体来说，煤矿通信设备主要由行政交换机、生产调度交换机和监控系统三部分组成。行政通信系统：主要为煤矿的生产、经营及管理提供通信保障，行政通信系统在煤矿通信网中占据主导地位。特别是在如今的市场经济时代，行政通信不能仅仅满足于接打电话的现状，更要站在大通信、可运营的高度，重点考虑设备运行的可靠性、增值业务的开发能力、综合计费能力等，不断满足煤矿通信走向市场的需要，使得煤矿通信朝着可运营的方向迈进。生产调度通信系统：该系统是煤矿安全生产管理中的重要设备之一，在煤矿生产中发挥着至关重要的作用。在地面它是行政通信系统不可缺少的重要补充部分，而且在煤矿生产规程中明确规定，在地面一些重点部位必须要安装行政、生产两套通信设备，保证在一个系统出现故障时，另一个系统能够及时满足生产经营的需要。在井下，生产调度通信系统则是主要的通信手段，井下各生产环节的信息都是通过该系统来传递的。计算机、安全监测、监控系统：矿井计算机、安全监测、监控等配套系统种类繁多，传输的信号也各有不同。在具体执行过程中，我们会要求系统内的各种信息要及时传递到主调度室，同时部分信息要进入生产调度通信系统以供有关部门掌握，所以生产调度通信系统必须要具备较高的兼容性。

2.2煤矿通信设备的要求

煤矿生产主要在地下作业，而地下的工作环境又比较恶劣，不安全因素较多，人员、设备的流动性较大。受上述诸多因素影响，煤矿企业必须要对通信设备提出较高的要求。首先，煤矿生产受诸多特殊因素影响，我们必须要保证信息的传输通道顺畅，传输的信息及时、准确。这就需要我们在煤矿生产过程中把专业调度系统摆在十分突出的位置，使通信设备既能满足井下的安全、生产需要，又能满足地面的指挥、管理等需求。另外，我们还要建立生产、洗煤专业调度通信系统，并使其与专业调度系统相互成网，进而实现信息的相互传递。其次，煤矿通信设备必须要满足新形势下煤矿企业对通信信息量的需求。在计划经济时代，煤矿企业与外部的通信信息量较小，到了如今的市场经济时代，煤矿企业对外交往越来越频繁，各煤矿之间的交流也不断增多。因此，我们在进行通信系统的建设时必须要充分认识到信息量的变化，使网络设计既能满足煤矿企业的内部生产、经营需要，又能够满足对外沟通的需要。最后，煤矿企业的安全生产倍受多方重视，这就要求我们必须逐步完善井下的通信网络，提高通信技术水平，尤其是井下应急通信系统。

3、网络通信在煤矿通信中的应用

煤矿通信系统具有数字式语音双向无阻塞通信，一键到位，组呼、全呼、选呼、强拆、强插、监|听，紧呼（紧急声灯告警），调度台中文名称显示及位置，自动录音功能（可保荐1年以上），通话历史记录查询等煤矿调度通信系统行业基本功能（国家验收标准功能），还具有内外线多方电话会议，IP融合通信，一键外呼直拨电话、集团彩铃、语音留言等等功能。随着煤炭生产的现代化程度不断提高，对通信手段、系统功能的要求也在不断增多。保证通信信息能够及时、准确、快速的传递对于煤炭生产、经营来说极为重要。光缆、数字微波、数字程控交换机应该在矿井通信系统得到广泛的应用，而且宽带上网、无线通信、图像传输等在矿井也要得到基本的普及。

3.1隔离式CAN网络通信系统设计

1000M工业以太环网是现代化煤矿通信的骨干网络，我们可以在该网络中接入各种监测和监控系统，进而对井下的作业环境、安全生产等进行有效的监控。此外，我们还可以将有线IP电话和无线移动电话，数字视频系统及人员定位系统接入到该网络中，充分发挥以太环网在煤矿通信中的作用。一般来说，我们会通过工业级交换机给工业以太环网提供接口，使得全矿地面及井下各子系统与主干网之间实现方便灵活的连接；而地面调度控制中心则是通过服务器实现对矿山各个系统的监控，及时了解工作人员的安全状况和设备的工作状态等。

CAN总线网络分别被分布在地面和井下，为了完成对地面及井下主要工作区域的网络覆盖，我们必须通过网关将其分段接入骨干网。CAN总线网络的应用范围比较广、适应性比较强，不但可以实现对移动变电站、采煤机等关键设备的分布式移动进行监测，还可以对矿山的自然环境、灾害等进行监测，甚至可以成为语音及视频的传输通道。但是，在具体操作过程中，由于我们将多个不同的子系统与CAN总线系统进行连接，而且线缆铺设距离很长，所以我们必须将CAN总线和所有接入的系统之间做好有效的隔离，只有这样才能分散CAN总线电缆网络与接入各子系统的电压，防止过压瞬间给整个网络造成破坏。另外，有效的隔离还能减少信号的失真与误差，有效消除网络中的接地环路，防止电压多大对整个电路造成的影响，因此，采用隔离式CAN总线网络对整个煤矿通信系统起到了至关重要的作用。我们在对CAN总线网络进行电路设计时，必须要通过连接电阻使其达到隐性的状态，然后通过CANH及CANL的有效组合再使其达到显性的状态。但是，由于数字隔离器不支持这种信号标准，所以我们无法在CAN总线收发器和电缆之间应用数字隔离器。基于此，科技人员就在数字隔离器的基础上研究出了ADM3052，它既是一种隔离式控制器也是一种区域网络物理层的收发器，更是集成隔离DC/DC的转换器，而且符合ISO 11898标准。ADM3052主要是应用ADI公司的iCoupler数字隔离技术，在CAN总线配置与各子系统之间提供5KVrms隔离，而且ADM3052具有CAN总线网络所要求的物理层特性，通过在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个接口来实现CAN总线与各子系统之间的有效隔离。具体如图1所示。

3.2隔离式CAN网络通信参数分析

总体来说，隔离式CAN网络的传播延迟要大于非隔离式CAN网络的传播延迟，但ADM3052却能以最高1Mbps的数据速率进行工作，它的传播延迟要明显小于光耦。传播延迟越短意味着CAN总线与各子系统之间的信号响应时间越快，工作效率越高，而且这在系统的仲裁期间起到了至关重要的作用，因为每个节点必须自行判断哪一条消息享有优先权，进而控制总线。所以，数据的传播速率和CAN总线的线路最大值均依据传播延迟时间来决定。

通常情况下，一个CAN比特由四个相互独立的时间段组成，分别为同步段、传播段、相位段1和相位段2，这些独立的时间段就可以在CAN总线中实现独立编程。但是，不同的子系统都可以对总线进行访问，它们为了争夺访问权会同时传输数据，而此时的CAN就会采用逐位仲裁的方式进行判断。传输节点则是通过对CAN总线上的数据进行采样来判断自己是否赢得仲裁，所以为了规避系统的传播延迟，CAN总线控制器必须对各位的采样时间进行补偿，补偿的途径就是在控制器中设置PROP—SEG。下面我们进行如下假设，假如此时的电缆长度为20m，数据速率或比特率为1Mbps，电缆传播延迟为5ns/m，CAN控制器振荡器的频率为36MHz。但是对于ADM3052来说，从TxD到RxD的传播延迟为250ns，是延迟中的最大值，而电缆的物理延迟等于5ns/m，电缆长度为20m，5ns/m*20m=100ns。根据计算我们可以看出，通过系统并返回到总控制器的总传播时间为：2（传播延迟+收发器传播延迟）=2×（100+250）=700ns。

我们为了实现对控制器的编程，就必须将寄存器设置为“时间量子”的整数倍。一般时间量子的时长与CAN系统时钟的时间周期相等，被设置为28ns。我们对28ns的时间量子进行分析，其中每位都包括36（1000/28=36）个时间量子。PROP_SEG=ROUND_UP（700ns/28 ns）=25个时间量子。接下来，我们从每位的36个时间量子中减去用于PROP_SEG的25个时间量子和用于SYNC_SEG的1个时间量子，然后将剩余的时间量子分配给PHASE_SEGl和PHASE—SEG2，每段5个。但是，由于CAN系统时钟存在容差，所以会出现累积相位的误差，这就要求系统必须通过再同步跳跃（RJW）同步，使得RJw为4和PHASE_SEGl二者中的较小值，只有这样才能实现对控制器的编程。

3.3通信协议

在具体的CAN2.0规范中，我们只对物理层和数据链路层进行定义，并未对ISO参考模型中的其他层结构进行定义。因此，为了提高CAN总线网络的兼容性，使得不同生产厂家的电气设备都能在网络中实现通信，我们还应该在系统的应用层采用CANopen作为CAN的网络通信协议，这有这样才能实现不同设备之间的互通有无，提高了系统的兼容性及使用效率，避免出现“信息孤岛”的情况，提高了信息的利用率。一般来说，系统通常会采用CANopen作为CAN的网络通信协议，然后通过网关使多个CANopen在网络中实现相互通信。网关在EtherNet网络中是TCP Server，而在CANopen网络中则是CANopen的主站，因此可以使多个CANopen在站与具有TCP Client设备之间实现数据通信。因此，CANopen在CAL基础上继承了CAL的通讯和服务协议子集，所以，CANopen标准也包括了通讯和设备子协定、寻址方案，而且它不但支持设备监控及网络管理还能够实现节点间的通讯。

一般来说，一个CANopen设备至少由对象字典、通信接口和应用程序三部分组成，它们之间具有一定的联系。其中，CANopen通过通信协议接口实现对总线上通信信息的收发，通过交换通信对象来完成不同CANopen设备间的通信。通常我们会在CANopen协议中定义4种通信对象（通信模式），主要用于对不同作用的信息进行处理，这4种通信对象分别为：NMT对象（网络管理对象）、SDO对象（服务数据对象）、PDO对象（过程数据对象）、特殊功能对象。四种通信对象的主要功能如下：对象字典主要用来设定设备的组态，并实现非即时通讯，对象字典通常由16位元索引变量阵列构成，然后通过变量对设备的组态进行调整。为了支持必要的网络管理服务，在CANopen设备中至少需要一个服务数据对象SDO（Service Da_ta Object）。CANopen可以采用master/slave、client/server和producer/consumer三种通信模型来实现设备间的通信。其中，在SDO协定中对client/server模型进行定义，SDO client的主要功能就是将对象字典的索引及子索引传送给SDO server，SDO封包就是在此过程中产生的。producer/consumer通信模型设备则至少需要一个过程数据对象PDO（Process DataObject），系统通过PDO协议可以在多个节点对信息实现即时交换。为了提高CANopen设备的兼容性，我们在对CANopen设备进行设计时一定要满足各子系统的一致性、互用性和互换性的需求，使CANopen设备通过状态机（state machine）的控制实现设备的启动和重置。状态机一般包括如下几个状态：初始化，预操作，操作和停止四个状态。当CANopen设备接收到网络管理（NMT）通讯对象时就会根据状态变更命令，此时状态机也会转换到对应的状态。

4、结论

近年来，随着科技的不断进步，煤矿企业正在向现代化的方向逐步推进，井下的通信设备及监控设备也越来越多，CAN总线网络凭借其较高的灵活性和高抗噪声干扰能力使得该协议更适用于煤矿各系统间的通信。本文针对通信电缆系统容易受过压瞬变和接地环路的干扰和破坏等不利影响，基于隔离式CAN总线网络设计了煤矿设备与工业以太环网的接入通信系统，并对隔离式CAN网络控制器的参数进行详细的分析，尽可能使其以1Mbps的速度运行，对于CAN网络应用层的通信协议，我们仍然采用CANopen协议。在具体应用过程中，我们将隔离式CAN网络用于不同系统间的煤矿长距离的串行通信，然后通过数字的方式将CAN总线及与其相连的各子系统隔离开来，进一步减少了信号失真和误差，有效降低了系统和元件受系统电压的影响。与此同时，CANopen在保证网络节点互用性的基础上能随意扩展节点的功能，充分保障了在煤矿恶劣的作业环境中提高矿井通信的实时性和物理安全性。

参考文献

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