提高煤礦安全監測系統通信可靠性的研究

徐廣華

【摘要】根據目前煤礦安全監測系統通信技術的現狀，結合煤礦井下監測系統的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術提高監測系統通信可靠性的方法。本文主要介紹煤礦安全監測系統的總體架構以及提高監測系統數據通信可靠性的設計，該系統性能可靠、穩定，是煤礦井下監測系統的最佳選擇。

【關鍵詞】煤礦安全；監測系統；通信可靠性

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

一、煤礦安全監測系統的總體架構

（一）安全監測系統的總體架構

根據國家安全生產監督管理總局頒發的《煤礦安全監測控制系統通用技術要求》和有關技術標準，以便更好地解決現有監測和控制系統存在的主要問題，它為煤礦企業提供了綜合環境監測和人/車定位管理功能的礦井綜合監測平臺。本文結合電子技術、數字通信技術和計算機技術，利用智能傳感器作為現場檢測設備，構建礦井安全監控系統的總體框架。該系統主要包括地面監測中心站（主機）、監測分站、智能傳感器等測控模塊。在距離較遠的監控中心站與監測分站之間采用CAN總線通信方式。CAN（控制器局域網）總線協議是德國BOSCH公司首先開發的，用于解決汽車控制部件與測量儀器之間的數據交換。它已應用于交通、國防、工程等許多領域。CAN是一種多主總線，最長傳輸距離為10km，最大通信速率為1Mbps。由于現有的大部分智能傳感器產品都配備了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，考慮到技術的可行性和成本的適宜性，在距離與監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、位移和應力、路面、溫度、濕度、風速、負壓等。

（二）安全監控技術的研究

近些年來，我們國家的狂進安全監測與監控技術已經取得了快速的發展，各類技術裝備在確保煤礦企業安全生產中發揮了重要作用，與此同時也存在一些不足。綜上所述，過去投入運行的監測/監控系統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控，或監測環境安全參數和設備的開/停狀態，包括瓦斯濃度，以及許多重要的環境參數和生產條件不包括在監測監控范圍。（2）許多安全監控系統的主干網絡是基于RS-485總線的，傳輸距離和傳輸速度非常有限。根據煤炭行業新的標準：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，傳統的485總線技術不能滿足傳輸距離和安裝數量的要求。（3）大多數地下車站通常只覆蓋對環境參數的監測/監控，以及生產和運行的條件，但在事故發生后可以指出最佳的救援路線。需要再投資的人/汽車定位監測系統用于救援和撤離人員和設備。由于信息不足，不能保證監測和救援工作的有效協同。

二、提高監測系統數據通信可靠性的設計

（一）雙CAN冗余硬件設計

雙CAN冗余的工作原理就是系統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。初始化時預先設定好主從CAN的優先級別。在正常工作中，數據通過主CAN發送。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進行數據傳輸，極大地提高了效率，減少了數據丟失。此外，當數據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。本設計采用STM公司的STM32F107VCT6微控制器。其內部集成了2個獨立的CAN控制器，因為控制器集成在芯片內部而不是擴展，大大減少了外部干擾，提高了通信質量，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冗余技術進行了理論分析與試驗測試，假設每路CAN總線的故障率相同。用指數分布來描述電子元器件的壽命，采用雙線冗余設計使CAN增加了50%的通信故障平均時間。雙CAN冗余系統的另一個關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位速率下發送8字節長度消息總線的傳輸時間為2280ms，跟理論計算值比較接近，但在實際應用中，發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生，冗余切換算法對系統的運行并無顯著影響。

三、結語

總之，根據目前煤礦安全監測系統通信技術的現狀，結合煤礦井下監測系統的要求，提出了一種采用雙CAN冗余技術提高監測系統通信可靠性的方法，對于復雜環境、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測系統，采用雙CAN技術是一種非常理想的選擇。

參考文獻

[1]賀鑫.煤礦安全監測監控系統存在問題分析及優化研究[J].內蒙古煤炭經濟，2018（04）：91～92.