CAN總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中的應用
1 引言
隨著計算機網(wǎng)絡的普及應用,人們從過去主要是對計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的關注,轉(zhuǎn)移到對其數(shù)據(jù)傳輸功能的關注。人們越來越重視數(shù)據(jù)的傳輸,人們希望通過互聯(lián)網(wǎng)能在世界的任何角落及時觀察到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。目前主要是基于Profibus總線的數(shù)據(jù)傳輸技術,雖然這種常規(guī)的傳輸技術具有相對結(jié)構簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,但是它有如下一些缺點不很適于作井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸總線。第一,它是主從結(jié)構,不能實現(xiàn)多主傳輸;第二,它的從節(jié)點都是固定地址,而且只能靜態(tài)設置;第三,它的節(jié)點的加入不能隨意動態(tài)進行;第四,它能夠連接的節(jié)點數(shù)量末段最多32個,加中繼的情況下也最多只能有三段,對于一些大礦,應用受到限制。相比之下,CAN總線技術具有的結(jié)構靈活性,以及它的節(jié)點容量(理論上是無限制的)十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點和使用特點。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸技術。
本文將對應用發(fā)展比較成熟的先進的CAN總線技術,進行了深入的研究。在此基礎上提出一個基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案,并在最后給出實現(xiàn)該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設計。
2 CAN總線
CAN (Controller Area Network) 總線,又稱控制器局域網(wǎng),CAN 已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN 總線規(guī)范已被ISO 國際標準組織制訂為國際標準,CAN 協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎上的,主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎上開發(fā)適合系統(tǒng)實際需要的應用層通信協(xié)議,但由于CAN 總線極高的可靠性,從而使應用層通信協(xié)議得以大大簡化。
CAN總線采用總線式拓撲結(jié)構(見圖1)。各節(jié)點可以像以太網(wǎng)節(jié)點那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜,有極性連接。CAN總線網(wǎng)絡也可以通過一個三通節(jié)點構成層次結(jié)構,呈現(xiàn)樹型拓撲。對于采用電纜介質(zhì)的CAN總線網(wǎng)絡,總線末端要設有匹配阻抗,防止反射產(chǎn)生駐波。
CAN協(xié)議分為二層:物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性,在同一網(wǎng)絡中,所有節(jié)點的物理層必須保持一致,但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式,總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理,確認哪個信息要發(fā)送的,確認接收到的信息及為應用層提供了接口。
CAN總線與其他總線相比有如下特點:
(1)、它是一種多主總線,即每個節(jié)點機均可成為主機,且節(jié)點機之間也可進行通信;
(2)、通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,通信速率可達1Mbps;
(3)、CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作;
(4)、CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制,數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成,因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊,這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式,還可使不同的節(jié)點同時接受到相同的數(shù)據(jù),這一點在分步式控制中非常重要;
(5)、數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié),可滿足通常工業(yè)領域中控制命令,工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求.同時,8個字節(jié)不會占用總線時間過長,,從而保證了通信的實時性;
(6)、CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能,保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
基于CAN總線技術的遠程分布式智能控制系統(tǒng),可運用在被監(jiān)控單元設備分散而且間距相對較遠,如幾公里范圍內(nèi)的復雜系統(tǒng)監(jiān)控上。主機與多個智能終端組成的網(wǎng)絡系統(tǒng)可有效地滿足工業(yè)過程的自動控制需要。
3 CAN總線技術在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
3.1 目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)存在的問題
煤礦生產(chǎn)場所的分布大都在幾公里到幾十公里的范圍,對煤礦生產(chǎn)過程的安全監(jiān)控遍布各個生產(chǎn)場所。對傳輸距離和傳輸速率的改進,將提供一個從根本上保障煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控的時效性的技術措施,實現(xiàn)真正意義的能夠滿足措施及時落實到位的實時監(jiān)控。從而極大地提高煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控力度和監(jiān)控效力,保障人民的生命財產(chǎn)不受損失。
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在我國已經(jīng)有多年的研究及應用,但其傳輸技術一直是系統(tǒng)研究中的薄弱環(huán)節(jié),隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展,安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾匀找嫱怀?。目前國?nèi)外煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的傳輸技術,存在著以下幾個方面的問題需要進一步解決:
(1)、傳輸速率慢
(2)、非標準化
(3)、高速傳輸時的傳輸距離短
(4)、無中繼連接的節(jié)點數(shù)少
(5)、傳輸系統(tǒng)結(jié)構靈活性差
3.2 基于CAN總線技術的問題解決方案
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),是一種典型的工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。與一般工控系統(tǒng)相比,它具有這樣的特點:系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控設備分散距離遠,節(jié)點設備動態(tài)變化頻繁,環(huán)境要求防爆。
CAN的多主結(jié)構、理論無限的節(jié)點容量(不存在物理站點編號問題)、位仲裁的總線分配和介質(zhì)訪問技術和額定最大速率1Mbit/s的傳輸速率(實際傳輸速率在器件和線纜性能允許的情況下可以超過這個速率)以及在5Kbit/s傳輸速率下可無中繼傳輸10公里的傳輸距離等特點,都非常適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點和傳輸要求。
基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設計,包括系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構設計、監(jiān)控分站節(jié)點內(nèi)傳輸電路設計、分支中繼電路設計和傳輸程序設計。
3.2.1 基于CAN總線的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構設計
整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設計由地面中心站、網(wǎng)關節(jié)點站、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),共六個部分組成。其中中心站負責接收、存儲和顯示從井下監(jiān)控分站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù),并通過各個井下分站發(fā)送各種配置命令和對現(xiàn)場設備的控制命令;井下分站負責從傳感器收集數(shù)據(jù)、和地面中心站通信、輸出各種控制信號和在需要的地方同時充當分支中繼器;網(wǎng)關節(jié)點站實現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議和中心站計算機標準接口協(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)信號的轉(zhuǎn)換;傳感器負責收集各種現(xiàn)場環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù);通信介質(zhì)負責安全監(jiān)控系統(tǒng)各設備的連接和信息的傳遞。整個系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)采用CAN總線拓撲結(jié)構,整個監(jiān)控系統(tǒng)分三級結(jié)構:中心站——井下分站——傳感器。
圖3 是帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖。圖中的傳輸系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線技術。通信光纖/電纜上傳輸基帶信號,節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸采用CAN協(xié)議。
圖3 帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖
3.2.2 安全監(jiān)控分站中CAN總線傳輸電路的設計
井下安全監(jiān)控分站是整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心,它負責收集和處理現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境和設備狀態(tài)等方面的安全監(jiān)控數(shù)據(jù),并能實現(xiàn)就地控制設備。它更是傳輸系統(tǒng)的關鍵設施,各種數(shù)據(jù)的收發(fā)都要通過它的傳輸電路進行。圖4是整個監(jiān)控分站的原理設計。
3.2.3 基于CAN總線的多功能分支中繼電路的設計
分支中繼電路完全工作于CAN總線傳輸網(wǎng)絡的物理層,就是負責CAN信號(NRZ碼)的分接、中繼和光電轉(zhuǎn)換。
由于要滿足CAN總線的按位仲裁功能的實現(xiàn),所以在分支中繼電路中要包含能夠?qū)崿F(xiàn)差分輸入輸出并能實現(xiàn)信號“線與”的CAN驅(qū)動電路,本電路設計中選用最常用的CAN驅(qū)動電路PC82C250芯片。由于“線與”功能是靠電氣連接實現(xiàn)的,所以在設計光/電分支中繼的時候,必須將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,再通過兩片CAN驅(qū)動電路PC82C250的連接實現(xiàn)“線與”。
4 總結(jié)
本文根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)存在的問題,提出了用CAN總線構建煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡的思想,并實際完成了基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡的設計。經(jīng)模擬比較表明,其傳輸品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的基于Profibus總線的傳輸技術。
本文作者創(chuàng)新觀點:本文提出的基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案,它具有的靈活性結(jié)構,以及它的節(jié)點容量(理論上是無限制的)十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點和使用特點,其傳輸品質(zhì)和整體性能優(yōu)于常規(guī)的基于Profibus總線的傳輸技術。