關于召開 2024 山西省煤炭學會煤礦智能化委員會年會暨千人智庫科創(chuàng)服務站工作會的通知

   煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式探討

劉西青

（山西煤炭職業(yè)技術學院）

摘要：井下人員定位考勤管理系統(tǒng)是利用射頻識別技術、數據庫管理與開發(fā)技術、網絡技術等先進的技術手段開發(fā)的礦用人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用實時的網絡化拓撲結構，具備完善的井下人員定位考勤管理安全監(jiān)控、生產監(jiān)控等功能，可對全礦井上、下人員信息參數及全礦各主要生產環(huán)節(jié)的生產過程，進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、打印，并能實現(xiàn)系統(tǒng)進行集中的的監(jiān)控。

建立先進的煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)，對于煤礦的安全生產有著重要的意義；本文介紹了沁新煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式的應用技術，以及在現(xiàn)場中的應用情況，為煤礦企業(yè)選擇、應用井下人員考勤定位系統(tǒng)提供了較好的實踐經驗。

關鍵詞：煤礦安全監(jiān)控；井下人員定位；通信模式；CAN總線技術。

  一、數據中心站與監(jiān)控主機之間的通信模式

數據中心站作為數據庫服務器，是整個人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心站點。各個監(jiān)控室的監(jiān)控主機都需要觀測數據中心站的各種數據，通過局域網連接，軟件結構采用C/S結構。SQL Serve;是一個客戶了服務器關系型數據庫系統(tǒng)。在客戶機了服務器軟件的概念中，SQL Serv“是后端部分，而客戶端是前端部分。通過客戶端，用戶可以插入、更新、刪除和查詢存儲在SQL Server數據庫中的數據。SQ L S e rve;支持客戶枷服務器結構的數據庫管.A系統(tǒng)，其Client端和Server端一般分配在兩臺計算機上，但這并不是必須的，即Client端和Server端可以運行在同一臺計算機上。從客戶端應用程序到數據庫服務器軟件之間的連接是由幾個軟件相互調用來實現(xiàn)的。沁新煤礦人呀定位系統(tǒng)的C/S務器軟件之間的連接是由幾個軟件相互調用來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)的C/S體系結構中，實時監(jiān)控、顯示和分析統(tǒng)計及用戶交互界面等部分在客戶端，而數據存儲管理，完整性控制在服務器端。在本系統(tǒng)中，由于監(jiān)控主機的監(jiān)控任務必須基于數據庫完成，因此在數據中心站設置了備用服務器，當主服務器出現(xiàn)故障時，可以及時將備用服務器啟動，使監(jiān)控系統(tǒng)及時恢復正常運行狀態(tài)。在數據中心站，Client端和Serve:端在同一臺計算機上，其它的Client端計算機通過局域網與數據中心站計算機Server端連接，網絡協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。SQL Serve;具有網絡獨立性，它可以和任何操作系統(tǒng)下的客戶端通信，只要該操作系統(tǒng)使用符合工業(yè)標準的網絡協(xié)議即可。SQLServe;可以很方便地通過Web站點共享數據，使用戶通過Web瀏覽器就能直接從SQL Server數據庫中訪問數據。其實在許多系統(tǒng)中，前端就是一個標準的Web瀏覽器。用戶需要存取數據庫具體表現(xiàn)為客戶端應用程序中的SQL語句，SQL語句經過數據庫服務器應用編程接口、網絡協(xié)議連接到網上，傳輸到服務器一端，再經過服務器端的網絡協(xié)議、連接網絡軟件傳輸到數據庫服務器軟件，由數據庫服務器軟件具體執(zhí)行SQL語句，實現(xiàn)對數據庫的訪問。從數據庫中取得的結果將按反方向送回給用戶。由于采用了C/S體系結構，本系統(tǒng)在網絡上傳輸的是SQL語句及其執(zhí)行結構。SQL語句從Client傳向Server,其執(zhí)行結果從Server傳向Client.減少了數據流量，提高了效率。

二、數據中心站與井下各分站設備之間的通信模式

我們通過CAN總線將分布在井下的各個監(jiān)測分站設備連接起來，使數據中心站能實時得到各個分站監(jiān)測到的數據，并進行統(tǒng)一處理。CAN總線基于串行通信IS011898標準，簡化了物理布線。CAN為多主方式工作，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。CAN總線的速度比較快，可靠性比較好，價格比較便宜，其應用范圍很廣泛。

1、通信拓撲結構及方式

首先我們要分析整個系統(tǒng)的數據流向，井下分布在各個巷道口的監(jiān)測分站只與數據中心站進行數據交換，每個監(jiān)測分站是相互獨立的子系統(tǒng)，相互之間沒有橫向數據流?，F(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互連網絡，對用戶是透明的，不同廠家的設備可以方便的接入同一網絡。而傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的產品是不能互相訪問的，伴隨著計算機業(yè)的發(fā)展，要想更大限度的實現(xiàn)自動化，應首選現(xiàn)場總線。Rzl本系統(tǒng)采用了CAN總線。對于一般的DCS系統(tǒng)的通信網絡，實時性、可靠性和開放性是基本的要求，并且由于現(xiàn)場節(jié)點相對于計算機較為簡單，內存較小，因此簡單性也是一個重要的要求。在本系統(tǒng)的具體應用環(huán)境下，可靠性和實時性應該得到強化。在網絡節(jié)點較多的情況下，為了使各種數控能夠及時傳送，實時性顯得特別重要。為了保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，也要求系統(tǒng)具有較高的可靠性，而開放性則提供了系統(tǒng)互聯(lián)和擴展的方便。通過上述分析，系統(tǒng)采用CAN通訊總線結構，其拓撲結構如圖1所示。網絡拓撲結構采用總線式結構。這種網絡結構結構簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。其物理硬件包括現(xiàn)場設備單元一井下監(jiān)測分站和監(jiān)控主機的CAN通信模塊。在監(jiān)控主機上采用CAN網絡通信卡。傳輸介質為雙絞線，如果需要進一步提高系統(tǒng)的抗千擾能力，還可以在控制器和傳輸介質之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。采用雙絞線通信時，速率為1M bps/40m ，5Kbps/lOk m，結點數可達110個。

圖1煤礦井下人員考勤定位系統(tǒng)網絡構成示意圖

圖2全礦井綜合自動化系統(tǒng)

 2、 CAN網絡協(xié)議結構

CA N 網絡 (ControllerA reaN etwork)是現(xiàn)場總線技術的一種，它是一種架構開放、廣播式的新一代網絡通信協(xié)議，稱為控制器局域網現(xiàn)場總線。CAN網絡原本是德國Boscb公司為歐洲汽車市場所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內部測量和執(zhí)行部件之間的數據通信。CAN總線能夠以較低的成本、較高的實時處理能力在強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作，因此CAN總線可廣泛應用于離散控制領域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動化的底層監(jiān)控，以解決控制與測試之間的可靠和實時數據交換。CA N 協(xié) 議(CANS pecification2 .0P ortA +B)分為3層：目標層、傳遞層和物理層，主要對應于ISO (國際標準化組織)的OSI(開放系統(tǒng)互連)7層模型中數據鏈路層的媒體訪問控制子層， 以及物理層的物理信號部分。

目前有三 種CAN通訊協(xié)議，包括CAN1.0,C AN2.OA和CAN2.OB,CAN2.OB是最通用的CAN通訊協(xié)議。CAN的三種通訊協(xié)議間的區(qū)別就是協(xié)議中定義的標識符的長度不同。CAN2.OA 協(xié)議中僅定義了具有11位標識符的標準幀數據結構，CAN2.OB協(xié)議中除了定義標準幀外還定義了具有29位標識符的擴展。符合CAN2.OB協(xié)議的CAN控制器支持被動2.0B或主動2.0B。被動2.0B控制器忽略擴展的29位標識信息(CAN2.OA控制器在接收29位標識時，將產生幀錯誤)，主動CAN2.OB控制器能夠接收和發(fā)送擴展信息幀。發(fā)送和接收兩類信息幀的兼容性準則歸納表1所示。主動CAN2.OB控制器能夠收發(fā)標準和擴展的信息幀;CAN2.OB被動控制器能夠收發(fā)標準幀，而忽略擴展幀，不引起幀格式錯誤;CAN1.0和CAN2.OA在接收擴展幀時，將產生錯誤信息。我們選用符合CAN2.OB協(xié)議的CAN控制器，并采用標準幀格式。標準幀格式(SFF)的標識碼(ID)有II位，標識碼就像是報文的名字一樣使用在驗收濾波器中，而且在仲裁過程中決定了總線訪問的優(yōu)先權。標識碼的二進制值越低優(yōu)先權越高。通信協(xié)議主要由CAN總線控制器完成。CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和微控制器接口部分電路組成。通過簡單的連接即可完成CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層的所有功能，應用層功能由微控制器完成。CAN總線上的節(jié)點既可以是基于微控制器的智能節(jié)點，也可以是具有CAN接口的1/0器件。

3、基于CAN總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性

較之目前許多基于RS-485總線構建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

（1）C A N 控制器工作于多主方式。網絡上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，即當發(fā)現(xiàn)總線空閑時，各個節(jié)點都有權使用網絡。采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術，有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失。CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節(jié)點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。

（2）C AN 總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網絡中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數據時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

（3）C A N具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的.另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種己形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

三、 結束語

    系統(tǒng)采用實時的網絡化結構，地面網絡采用以太網，井下網絡采用本安的數據高速公路網絡，具有較強的接口功能和網絡功能，為煤礦企業(yè)實現(xiàn)信息管理現(xiàn)代化提供了先進的技術手段。煤礦井下人員定位考勤管理系統(tǒng)運行后，對于井下人員的考勤管理、瓦斯巡檢員的跟蹤、井下人員的搜救工作起到了良好的保證，在煤礦安全生產和現(xiàn)代化管理中發(fā)揮了重要的作用。

參考文獻:

1  王顯政等.煤礦安全新技術[M]，北京:煤炭工業(yè)出版社，2002

2 崔景岳.礦山監(jiān)控技術［M］，北京：煤炭工業(yè)出版社.1994

3 孫繼平.礦山監(jiān)測與控制［M］，北京：北京工業(yè)大學出版社.1990

4 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M]，北京:北京航空航天大學出版社，1990

作者簡介：劉西青（1966-），女，北京市人，太原科技大學畢業(yè)，工程師、講師，從事煤礦計算機網絡應用課程教學研究和計算機校園網絡管理工作。太原 030031