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1．引言

    現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。現場總線（Fieldbus）是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。隨著計算機技術和網絡技術的發展，現場總線及其總線接口模塊、智能儀表、控制設備的組成的FCS 現場總線監控系統，已經成為系統的開放性、經濟性、可靠性、可互操作性、設備功能的自治性、結構的分散性、及對用戶的維權性，受到國內外各個大公司和用戶的重視和青睞。現場總線技術搭建的FCS把單個分散的測量控制設備變為網絡接點，以現場總線為紐帶，進行實時一對多的信號傳輸，簡化了系統結構，方便遠程距離的傳輸。煤礦監控系統包括安全監控和生產監控，煤礦的監控技術深刻地影響著煤礦的安全和生產力水平，由于煤礦井下的環境差，標準化的現場總線還沒有在煤礦監控系統中得到應用。將開放的成熟的現場總線技術應用到煤礦監控系統中是煤礦監控技術發展的必然趨勢。

2 系統結構的具體分析

    煤礦監控系統的主要目的是保障煤礦安全，提高生產效率。

    由于借鑒了現場總線技術，大大簡化了系統結構，提高了系統設備接口標準化、功能模塊化。系統可大可小，易于重構，非常適用于煤礦井下監控布局經常變更的特點。同時，由于煤礦井下監控點多是沿巷道線性分布，轉換器設計在監控現場，具有監測、計算、補償、控制的功能，適合煤礦井下監測點比較分散的特點。監控點與通信電纜就近連接，沿巷道敷設一根電纜，使系統的一次性投資，安裝費和維護工作大大減少。
    根據煤礦的特點，結合現場總線思想，系統結構如圖所示，它是由地面信息管理網絡系統、監控主機、智能接口、調制解調器、智能轉換器、各種智能儀表、傳感器、控制器等組成。

    監控系統的管理決策層是標準的信息管理網絡系統，由服務器和各類終端組成，包括生產技術管理、生產調度管理、計劃管理、財務管理、人事管理、煤炭運輸、煤炭銷售管理、物資供應管理、機電設備管理、通風管理和安全監察管理等子系統，是一個綜合信息管理和輔助決策支持系統。它要求能對全礦井各主要業務部門及礦井上下安全生產情況的信息進行管理，并對有關信息進行整理、分析、存儲，為礦領導的決策提供可靠的科學依據。同時可與上一級網絡交換數據。

    控制層是由監控主機和圖形工作站模擬盤等組成，負責監控信息的采集、整理、優化及過程數據存儲、圖形顯示、報表打印等信息。是系統管理人員與系統對話的層面，對監控系統各設備之間關系進行定義，并進行故障診斷和高級控制，同時接受管理決策層的指導。

    現場控制層是由底層控制站、井下控制裝置、傳感器探頭轉換器等組成，接受高級控制層的定義、命令、并對設備進行監測和控制。由于煤礦的惡劣環境、監控距離長、范圍廣，監控系統要求對風速、風門、二氧化硫、一氧化碳、溫度、濕度、氧氣、甲烷濃度等參數進行監控來采集數據和處理數據，發出控制信號來控制設備的開、停狀態、傳輸系統的速度、電力系統的電流、電壓、功率因數、以及對供熱系統的壓力、流量、溫度、水庫的水位等參數進行監測、控制、計量。同時還有許多監控子系統，如機車跟蹤系統、運輸系統、瓦斯抽放系統等，這些信息通過轉換器送到系統中。

3 現場總線優化數據傳輸

    現場總線是工業控制系統的新型通訊標準，是基于現場總線的低成本自動化系統技術。現場總線技術的采用將帶來工業控制系統技術的革命。采用現場總線技術可以促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統領域的技術發展趨勢。 

    煤礦監控系統對現場總線的基本要求是要傳輸距離遠、響應時間快、抗干擾能力強適應煤礦的惡劣環境。煤礦監控系統是基于微型計算機及信息傳輸網絡組成的監測和監控系統。由于其工作環境復雜，信號的采集和傳輸及系統的運行的每個環節都會引起干擾。特別是在煤礦強大電力生產環境下，電磁干擾非常嚴重，造成誤碼、誤動，影響監控精度甚至使系統無法正常工作。現場總線采用數字信號傳輸。數字式通信方式取代設備級的模擬量（如4-20mA,0-5V等信號）和開關量信號；數字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統的可靠性。            

    在眾多的現場總線中，CAN屬于總線式串行通信網絡,由于CAN總線具有低成本，易開發、實時性好、抗噪聲性能強等優點，傳輸速度最高1Mb/s（傳輸距離40m時）最大距離達到10km（5kb/s），最多節點數為110個，若加中繼器或網關等設備后可以擴展通訊距離和節點數量，使用內嵌ADC，DAC 和CAN通信接口的單片機。由于其獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線早已成為國際標準，其應用范圍也從最初的汽車電控逐步擴展到工業控制的各個領域，成為最有前途的現場總線之一。CAN總線上的節點一般采用單片機外加CAN控制器的設計方法，不利于產品的集成和成本的降低。

    P87C591有44個引腳，是一個單片8位高性能微控制器，具有片內CAN控制器。它從MCS-51微控制器家族派生而來，采用了強大的80C51指令集并包括了Philips半導體SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。全靜態內核提供了擴展的節點方式。振蕩器可停止和恢復而不丟失數據。改進的1：1內部時鐘分頻器，在12MHz外部時鐘速率是實現500ns指令周期。中央處理器CPU使用的操作數來自3個存儲空間：16KB內部程序存儲器，可擴展到64KB；512B內部數據存儲器；最大64KB外部數據存儲器。
    
    系統采用Philips公司的P87C591單片機為核心, P87C591單片機自帶了16kb的內部程序存儲器和512字節的數據RAM。基于P87C591的CAN節點接口應用電路十分簡單，只需要附加一些CAN收發電路就可以進行CAN總線數據傳輸。CAN收發芯片采用philips公司的TJA1050收發器。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力 ，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與TJA1050的TXD和RXF相連，而是通過高速光電耦合器6N167與TJA1050相連。這樣，就可以很好地實現總線上的總CAN節點間的電器隔離。不過，應該特別說明的一點是，光電耦合器采用的是兩個獨立的電源供電，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帶多路5V隔離輸出的開關電源模塊實現。單片機最大的優點是內部集成了CAN控制器，不但降低成本，而且也大大簡化了系統的硬件設計。在煤礦的監控系統中采用CAN總線技術的數據采集系統，正以其通信可靠，抗干擾性好，傳輸距離遠的特點，越來越受到人們的重視。

4  結束語
    
    將開放的、標準的現場總線技術應用于煤礦監控系統是完全可行的，CAN總線技術可以作為優先選用的技術。采用CAN總線技術的數據采集系統，正以其通信可靠、抗干擾性好、傳輸距離遠的特點、越來越受人們的重視。CAN總線的應用前景將更加廣闊。煤礦監控系統采用現場總線技術后，將大大提高煤炭企業的自動化水平，并給現在的安裝、調試、使用和維護帶來極大的方便。

參考文獻

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[3]  陽憲惠. 現場總線技術及其應用.  北京:清華大學出版社, 1999

[4]  鄔寬明. CAN總線原理和應用技術設計  北京. 北京航空航天大學出版社 1996