基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究

基于CAN总线的煤矿监测监控系统研究

刘炎垚

国家能源投资集团神华神东煤炭集团公司哈拉沟煤矿陕西榆林719300

摘要：近年来，基于CAN总线的煤矿监测监控系统得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了CAN总线的特征以及煤矿安全监测监控系统存在的问题，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就基于CAN总线的检测监控系统展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：CAN总线；煤矿；监测监控；系统

1前言

作为一项实际要求较高的实践性工作，基于CAN总线的煤矿监测监控系统的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对煤矿监测监控系统的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化煤矿监测监控工作的最终整体效果。

2概述

2.1煤矿安全监测监控的重要意义

煤矿生产的环境有其地下作业的特殊性，它不仅有着地面作业的一般风险，还会有相应的特殊风险因素存在，当前的煤矿开采与生产事故也是发生频繁。煤矿开采的作业时间与外在条件会根据不同的空间环境而相应不同，在进行风险评估时也具有很大的不确定性，甚至于有相当一部分的风险无法进行正常评估，因而加大了煤矿开采的隐性风险。

煤矿开采与生产面临的风险主要有：瓦斯爆炸、火灾、粉尘、中毒和窒息、触电伤害、机械伤害、淹溺、坍塌、爆破伤害以及火药爆炸等等。采用现代信息手段进行安全监测监控系统设置有利于煤矿开采与生产的安全管理，减少或防止风险的发生。

2.2煤矿安全监测监控系统的类型

当前较为常见的煤矿安全监测监控系统类型，一种是以地面中心站到煤矿矿井下分站之间采用公共接线方式进行的系统，这种安全监测监控系统中，煤矿矿井的井下分站到监测监控系统的传感器部分使用专线缆进行连接，煤矿矿井的井下分站后部传感器部分，需要一根专用的线缆进行连接。当前，这种安全监测监控系统在煤矿安全管理的应用中存在一定的问题。另一种是全总线式的安全监测监控系统，它是以公共接线方式进行路线连接的系统，且不需进行分站接线，这种安全监测监控系统中的传感器外挂于总线缆。如果系统中传感器外挂状况较为集中，则可以增设分站便于集中控制。

CAN总线在煤矿安全监测监控系统中的应用，有效的保障了数据采集与数据传输等多个方面的精确性与及时性。煤矿井下的各个参数通过CAN总线进行整合，并被传输到井上的中心站进行分析与诊断，管理者和技术人员能及时的掌握煤矿开采与生产过程中的准确情况，进而能有效的规避煤矿事故的发生。

3CAN总线的特征分析

CAN总线的通信接口集合了物理与数据链层的特性，能实现数据的串行传输，且CAN总线可以对数据进行成帧处理。CAN与传统的编码不同，不是对站点地址进行编码，而是对数据进行编码。这使得网络节点的设置数量失去了限制，数据的设置可以是由111或129个不同的数据块组成，这种方式的优点在于，使不同的节点可以同一时间接收到相同的数据信息。煤矿监测体系中CAN总线的功能有：总线不用改变便可以灵活进行监测监控模块的衔接，具有良好的扩展力；CAN总线的结构为短帧通信，在进行信息传输时，所需时间较短，且不易受到干扰；在进行信息传输时与其他校验技术相结合，比传统的煤矿安全监测监控系统更加精准，所传输的信息真实可靠；CAN总线的各个节点上的信息可以进行有效分级，保障级别高的信息优先传输，最快可以只需140ms的时间即可传达，具有良好的时效性；在监控过程中，如果系统上的任意一个节点有故障出现，这个故障节点会自动关闭与其他节点相隔绝，以免对系统中的其他节点造成影响。

4煤矿安全监测监控系统存在的问题

4.1缺乏安全监测观念

部分煤矿生产业主以及管理人员在思想上没有高度的认识，对安全监测监控的重要性没有引起高度的重视。在煤矿生产中发生安全事故是不可避免的，即使安装了煤矿安全监测监控系统，也是会发生煤矿安全事故。安装煤矿安全监测监控系统，在其正常运行时，还是需要人工井下监测，所以他们将工作的重心，放在了生产上，而忽视了安全监测监控的重要性。

4.2监测监控系统不健全

煤矿安全监测监控的系统以及程序规定了完整的煤矿安全监测监控工作流程。而在一般的评价公司是将工作的程序以示意图的方式来呈现，对于客观的监测监控失去了完整度以及科学性，因监测监控系统的建立上存在很大的不健全。

4.3安全监测监控针对性较弱

煤矿系统的安全性问题，受到了地质条件、开采条件、岩力学性质、开采工艺、通风管理等多方面的影响，因此对于煤矿安全监测监控的分析要实现地域、地质等针对性，这样就难以实现对于监测监控的准确度，安全的保证就难以实现。

4.4现场管理和维护不到位

第一，现场管理中存在问题主要有：煤矿安全监测监控系统工程在审核方面没有严格的标准，且对现有标准执行不到位；同时，系统的竣工验收工作也没有做到位，没有设立相应的管理机构和配备合理的管理人员，这使得传感器在安装过程中出现了很多问题。第二，维护不到位。传感器出现问题后，维护人员没有及时注意到，造成抢修不及时问题。

4.5监控人员业务水平低

在煤矿安全监测监控系统中有很多科技，这需要有一定技术的人员进行监测监控管理，在煤矿安全监测监控系统中有传感器、计算机、电子技术等，这些都需要有一定的专业知识和技术。然而，在实践监测工作中，管理人员的文化程度相对较低，出现参差不齐的现象，甚至有部分人员并未经历正规的选拨而进入到监测监控中工作，导致缺乏一定的安全及防爆意识，同时还缺乏相应的操作技能，对于一些较为先进的工作并不能够对其操作。

5基于CAN总线的检测监控系统

5.1CAN总线。CAN总线是一种连接设备与系统的智能通信网络，具有数字化、双向性与分支结构多的特点，它遵循国际标准下的OSI开放系统互连参考模型的通讯协议，底层的I/O模块与各电子设备能通过CAN总线构成全面的控制网络。CAN总线集合了OSI开放系统互连参考模型中数据连接与物理设置的优势，具有高及时性的特征，采用短帧方式传输，能有效的抗干扰。

5.2总线的扩展。从理论上来说，一条CAN总线的节点数量是没有限制的，只是节点的设置少于110有利于保障日常通信的质量。由于煤矿安全监测监控系统的子系统数量较多，在进行监控的过程中需要使用的传感器和分站较多，CAN总线的扩展性有利于解决这一问题，扩展方式为直接通过CAN网关进行扩展，或者是购买CAN总线PCI卡，再通过以太网进行连接扩展。这一过程中，CAN总线的扩展主要是通过中心站进行连接扩展。

5.3节点设计。基于CAN总线的煤矿安全监测监控系统是一种集散管理系统，所谓集中是指，CAN总线中的任意一个节点都可以在中心站进行组合配置与检测监控；所谓分散是指，系统中的控制节点、执行节点与传感器都是相对独立的，这些节点可以通过CAN总线实现及时的连接与传输。这种集散管理通过多个组态的软件实现多个节点与CAN总线间的组合关系。对CAN总线节点设计也就是煤矿井下分站设计，这种设计还具备防止数据丢失的的功能，因此要对每一节点的历史数据进行相应时间的保存。CAN总线节点设计主要集成CAN控制器的微控制器+CAN收发器模式、有微控制+CAN控制器+CAN收发器模式以及CAN的串行I/O器件+CAN收发器模式，进行CAN总线设计时，每一种模式必须满足CAN总线的单元规则，才能与CAN总线进行良好对接。

5.4传感器。基于CAN总线的煤矿安全监测监控系统同样离不开稳定可靠的传感器，传感器作为系统中的重要组成部分，发挥着正确监测与及时反映环境状况与设备运行参数的作用。国内当前主要采用模拟量传感器及开关量传感器两种用于煤矿安全监测监控系统。模拟量传感器主要分类有瓦斯、风速、压力、温度、水仓、煤仓、电流、以及功率等；开关量传感器主要分类有设备开停状态、电机馈电状态以及风门的开停状态等。

5.5基于CAN总线的安全监测监控系统的优势。①CAN总线的运作模式为多主机运行，任意一个节点可以随时通过主线向其他主线传输信息。②非破坏性的自动判断技术。当系统中两个小的节点同一时间向CAN总线传输信息的时候，级别较低的节点暂停传输，待级别较高的节点优先传输完毕后再进行传输，有效减少了总线的判断时间。③CAN总线模式下可以进行一个节点向一个节点传输、一个节点向多个节点以及一个节点向全部节点传输的方式。④数据传输正确率高且快速。CAN总线通过短帧传输，且与校验技术整合运行。⑤完善的通信协议优势。系统开发更加简单，可以直接通过CAN总线的控制芯片实现。⑥费用低。相较于集中式监控系统来说，节约了大量电缆线等设备的购买，基于CAN总线模式的煤矿安全监测监控系统的工程费用大大降低。

6发展趋势

6.1系统升级。当前大多数的煤矿安全监测监控系统往往是针对特定的对象，缺乏系统的可通用性，特别是我国国内没有对各个设备制造商设置统一的生产标准，这进一步促使设备以及相关配件无法适应系统建设的通用性需求，在进行安全监测监控系统后期升级时也极为不便，因此，煤矿安全监测监控系统应实现设备通用化，提高升级与扩展的灵活性。

6.2完善子系统建设。首先，当今的煤矿企业在安全监控过程中没有统一的通信、物理等协议；其次，安全监测监控系统主要传输方式还是以主从结构为主，这不利于多主冗余系统的建立；最后，安全监测监控间采用总线连接来对系统中的分站进行控制，系统间的相互兼容水平低，且可靠性与运用性能都较差，不利于安全管理的实时监测监控。在建设煤矿安全监测监控系统建设时，必须完善相关子系统的建设，实现井下数据的光纤环网式传输，实现分站监控、充分安置防爆摄像机、有效进行人员定位等科学的井下安全管理设备建设，再通过网络接口将井下设备与地面设备进行连接。这其中，应该充分考虑煤矿开采与生产的环境特殊性，所选用的设备特别是井下设备必须通过国家的防爆认证和MA认证。

6.3实现多方监控。当前煤矿安全监测监控系统由于是针对特定的一个对象，操作目的往往是单一化的，这种模式的安全监测监控主要是对信息的收集和预警数据表的输出，这种基本数据的简单处理，无法对煤矿安全实现多方面的监控。而且这种系统只进行数据参数检测，大多没有监管的功效，因此，后期煤矿监测监控系统的发展趋势之一必然是实现全方面的监控。

6.4故障诊断系统优化。在当前的煤矿安全监测监控系统缺乏远程故障诊断与维护功能，有些系统即便可以实时监控的煤矿开采与生产情况，但是对过程中出现的设备故障还是需要进行人工检查，煤矿安全监测监控系统在这一方面的确实，会导致系统运转的诊断偏差。因此，完善系统的的这一功能是煤矿安全管理的发展方向之一。

6.5系统决策功能优化。当前所使用的监控系统缺乏对煤矿事故进行决策的功能，系统在进行事故前预警后，如何进行原因分析，有效的规避事故风险，仍然是这一系统有待优化的部分。后期可以增加煤矿监测监控系统设备的黑匣子功能，对系统的决策能力进行优化，实现系统升级，增加对事故原因的分析力。

7结束语

综上所述，加强对基于CAN总线的煤矿监测监控系统的研究分析，对于其良好应用效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的煤矿监测监控系统应用过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献：

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[2]曾国华.论煤矿安全监测监控系统的重要性[J].城市建设理论研究（电子版）.2017（01）：115-116.