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1．引言

    現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線及其總線接口模塊、智能儀表、控制設(shè)備的組成的FCS 現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)成為系統(tǒng)的開(kāi)放性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可互操作性、設(shè)備功能的自治性、結(jié)構(gòu)的分散性、及對(duì)用戶的維權(quán)性，受到國(guó)內(nèi)外各個(gè)大公司和用戶的重視和青睞。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)搭建的FCS把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，進(jìn)行實(shí)時(shí)一對(duì)多的信號(hào)傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便遠(yuǎn)程距離的傳輸。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)包括安全監(jiān)控和生產(chǎn)監(jiān)控，煤礦的監(jiān)控技術(shù)深刻地影響著煤礦的安全和生產(chǎn)力水平，由于煤礦井下的環(huán)境差，標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線還沒(méi)有在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。將開(kāi)放的成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中是煤礦監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體分析

    煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是保障煤礦安全，提高生產(chǎn)效率。

    由于借鑒了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化。系統(tǒng)可大可小，易于重構(gòu)，非常適用于煤礦井下監(jiān)控布局經(jīng)常變更的特點(diǎn)。同時(shí)，由于煤礦井下監(jiān)控點(diǎn)多是沿巷道線性分布，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，具有監(jiān)測(cè)、計(jì)算、補(bǔ)償、控制的功能，適合煤礦井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散的特點(diǎn)。監(jiān)控點(diǎn)與通信電纜就近連接，沿巷道敷設(shè)一根電纜，使系統(tǒng)的一次性投資，安裝費(fèi)和維護(hù)工作大大減少。
    根據(jù)煤礦的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線思想，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，它是由地面信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控主機(jī)、智能接口、調(diào)制解調(diào)器、智能轉(zhuǎn)換器、各種智能儀表、傳感器、控制器等組成。

    監(jiān)控系統(tǒng)的管理決策層是標(biāo)準(zhǔn)的信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由服務(wù)器和各類終端組成，包括生產(chǎn)技術(shù)管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、計(jì)劃管理、財(cái)務(wù)管理、人事管理、煤炭運(yùn)輸、煤炭銷售管理、物資供應(yīng)管理、機(jī)電設(shè)備管理、通風(fēng)管理和安全監(jiān)察管理等子系統(tǒng)，是一個(gè)綜合信息管理和輔助決策支持系統(tǒng)。它要求能對(duì)全礦井各主要業(yè)務(wù)部門及礦井上下安全生產(chǎn)情況的信息進(jìn)行管理，并對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行整理、分析、存儲(chǔ)，為礦領(lǐng)導(dǎo)的決策提供可靠的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)可與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。

    控制層是由監(jiān)控主機(jī)和圖形工作站模擬盤(pán)等組成，負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的采集、整理、優(yōu)化及過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形顯示、報(bào)表打印等信息。是系統(tǒng)管理人員與系統(tǒng)對(duì)話的層面，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備之間關(guān)系進(jìn)行定義，并進(jìn)行故障診斷和高級(jí)控制，同時(shí)接受管理決策層的指導(dǎo)。

    現(xiàn)場(chǎng)控制層是由底層控制站、井下控制裝置、傳感器探頭轉(zhuǎn)換器等組成，接受高級(jí)控制層的定義、命令、并對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。由于煤礦的惡劣環(huán)境、監(jiān)控距離長(zhǎng)、范圍廣，監(jiān)控系統(tǒng)要求對(duì)風(fēng)速、風(fēng)門、二氧化硫、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、甲烷濃度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控來(lái)采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制設(shè)備的開(kāi)、停狀態(tài)、傳輸系統(tǒng)的速度、電力系統(tǒng)的電流、電壓、功率因數(shù)、以及對(duì)供熱系統(tǒng)的壓力、流量、溫度、水庫(kù)的水位等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、計(jì)量。同時(shí)還有許多監(jiān)控子系統(tǒng)，如機(jī)車跟蹤系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)等，這些信息通過(guò)轉(zhuǎn)換器送到系統(tǒng)中。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸

    現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制系統(tǒng)的新型通訊標(biāo)準(zhǔn)，是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的低成本自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的采用將帶來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)的革命。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開(kāi)放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。 

    煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的基本要求是要傳輸距離遠(yuǎn)、響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)適應(yīng)煤礦的惡劣環(huán)境。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是基于微型計(jì)算機(jī)及信息傳輸網(wǎng)絡(luò)組成的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)。由于其工作環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)的采集和傳輸及系統(tǒng)的運(yùn)行的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)引起干擾。特別是在煤礦強(qiáng)大電力生產(chǎn)環(huán)境下，電磁干擾非常嚴(yán)重，造成誤碼、誤動(dòng)，影響監(jiān)控精度甚至使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字信號(hào)傳輸。數(shù)字式通信方式取代設(shè)備級(jí)的模擬量（如4-20mA,0-5V等信號(hào)）和開(kāi)關(guān)量信號(hào)；數(shù)字化信號(hào)固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。            

    在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò),由于CAN總線具有低成本，易開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)性好、抗噪聲性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，傳輸速度最高1Mb/s（傳輸距離40m時(shí)）最大距離達(dá)到10km（5kb/s），最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為110個(gè)，若加中繼器或網(wǎng)關(guān)等設(shè)備后可以擴(kuò)展通訊距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)量，使用內(nèi)嵌ADC，DAC 和CAN通信接口的單片機(jī)。由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線早已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用范圍也從最初的汽車電控逐步擴(kuò)展到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，成為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)一般采用單片機(jī)外加CAN控制器的設(shè)計(jì)方法，不利于產(chǎn)品的集成和成本的降低。

    P87C591有44個(gè)引腳，是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器。它從MCS-51微控制器家族派生而來(lái)，采用了強(qiáng)大的80C51指令集并包括了Philips半導(dǎo)體SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)方式。振蕩器可停止和恢復(fù)而不丟失數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1：1內(nèi)部時(shí)鐘分頻器，在12MHz外部時(shí)鐘速率是實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。中央處理器CPU使用的操作數(shù)來(lái)自3個(gè)存儲(chǔ)空間：16KB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，可擴(kuò)展到64KB；512B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；最大64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
    
    系統(tǒng)采用Philips公司的P87C591單片機(jī)為核心, P87C591單片機(jī)自帶了16kb的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和512字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。基于P87C591的CAN節(jié)點(diǎn)接口應(yīng)用電路十分簡(jiǎn)單，只需要附加一些CAN收發(fā)電路就可以進(jìn)行CAN總線數(shù)據(jù)傳輸。CAN收發(fā)芯片采用philips公司的TJA1050收發(fā)器。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力 ，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與TJA1050的TXD和RXF相連，而是通過(guò)高速光電耦合器6N167與TJA1050相連。這樣，就可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上的總CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。不過(guò)，應(yīng)該特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，光電耦合器采用的是兩個(gè)獨(dú)立的電源供電，電源Vcc和CAN_V必須完全隔離，否則光耦也就失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率的電源隔離模塊或通過(guò)帶多路5V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部集成了CAN控制器，不但降低成本，而且也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)中采用CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，正以其通信可靠，抗干擾性好，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。

4  結(jié)束語(yǔ)
    
    將開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是完全可行的，CAN總線技術(shù)可以作為優(yōu)先選用的技術(shù)。采用CAN總線技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，正以其通信可靠、抗干擾性好、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)、越來(lái)越受人們的重視。CAN總線的應(yīng)用前景將更加廣闊。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后，將大大提高煤炭企業(yè)的自動(dòng)化水平，并給現(xiàn)在的安裝、調(diào)試、使用和維護(hù)帶來(lái)極大的方便。

參考文獻(xiàn)

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