煤矿井下人员定位考勤系统的通信模式探讨
刘西青
（山西煤炭职业技术学院）
摘要：井下人员定位考勤管理系统是利用射频识别技术、数据库管理与开发技术、网络技术等先进的技术手段开发的矿用人员安全监控系统，系统采用实时的网络化拓扑结构，具备完善的井下人员定位考勤管理安全监控、生产监控等功能，可对全矿井上、下人员信息参数及全矿各主要生产环节的生产过程，进行实时数据采集、传输、处理、显示、打印，并能实现系统进行集中的的监控。
建立先进的煤矿井下人员定位考勤系统，对于煤矿的安全生产有着重要的意义；本文介绍了沁新煤矿井下人员定位考勤系统的通信模式的应用技术，以及在现场中的应用情况，为煤矿企业选择、应用井下人员考勤定位系统提供了较好的实践经验。
关键词：煤矿安全监控；井下人员定位；通信模式；CAN总线技术。
一、数据中心站与监控主机之间的通信模式
数据中心站作为数据库服务器，是整个人员安全监控系统的核心站点。各个监控室的监控主机都需要观测数据中心站的各种数据，通过局域网连接，软件结构采用C/S结构。SQL Serve;是一个客户了服务器关系型数据库系统。在客户机了服务器软件的概念中，SQL Serv“是后端部分，而客户端是前端部分。通过客户端，用户可以插入、更新、删除和查询存储在SQL Server数据库中的数据。SQ L S e rve;支持客户枷服务器结构的数据库管.A系统，其Client端和Server端一般分配在两台计算机上，但这并不是必须的，即Client端和Server端可以运行在同一台计算机上。从客户端应用程序到数据库服务器软件之间的连接是由几个软件相互调用来实现的。沁新煤矿人呀定位系统的C/S务器软件之间的连接是由几个软件相互调用来实现的。在本系统的C/S体系结构中，实时监控、显示和分析统计及用户交互界面等部分在客户端，而数据存储管理，完整性控制在服务器端。在本系统中，由于监控主机的监控任务必须基于数据库完成，因此在数据中心站设置了备用服务器，当主服务器出现故障时，可以及时将备用服务器启动，使监控系统及时恢复正常运行状态。在数据中心站，Client端和Serve:端在同一台计算机上，其它的Client端计算机通过局域网与数据中心站计算机Server端连接，网络协议为TCP/IP协议。SQL Serve;具有网络独立性，它可以和任何操作系统下的客户端通信，只要该操作系统使用符合工业标准的网络协议即可。SQLServe;可以很方便地通过Web站点共享数据，使用户通过Web浏览器就能直接从SQL Server数据库中访问数据。其实在许多系统中，前端就是一个标准的Web浏览器。用户需要存取数据库具体表现为客户端应用程序中的SQL语句，SQL语句经过数据库服务器应用编程接口、网络协议连接到网上，传输到服务器一端，再经过服务器端的网络协议、连接网络软件传输到数据库服务器软件，由数据库服务器软件具体执行SQL语句，实现对数据库的访问。从数据库中取得的结果将按反方向送回给用户。由于采用了C/S体系结构，本系统在网络上传输的是SQL语句及其执行结构。SQL语句从Client传向Server,其执行结果从Server传向Client.减少了数据流量，提高了效率。
二、数据中心站与井下各分站设备之间的通信模式
我们通过CAN总线将分布在井下的各个监测分站设备连接起来，使数据中心站能实时得到各个分站监测到的数据，并进行统一处理。CAN总线基于串行通信IS011898标准，简化了物理布线。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。CAN总线的速度比较快，可靠性比较好，价格比较便宜，其应用范围很广泛。
1、通信拓扑结构及方式
首先我们要分析整个系统的数据流向，井下分布在各个巷道口的监测分站只与数据中心站进行数据交换，每个监测分站是相互独立的子系统，相互之间没有横向数据流。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互连网络，对用户是透明的，不同厂家的设备可以方便的接入同一网络。而传统的DCS中，不同厂家的产品是不能互相访问的，伴随着计算机业的发展，要想更大限度的实现自动化，应首选现场总线。Rzl本系统采用了CAN总线。对于一般的DCS系统的通信网络，实时性、可靠性和开放性是基本的要求，并且由于现场节点相对于计算机较为简单，内存较小，因此简单性也是一个重要的要求。在本系统的具体应用环境下，可靠性和实时性应该得到强化。在网络节点较多的情况下，为了使各种数控能够及时传送，实时性显得特别重要。为了保证系统长期稳定运行，也要求系统具有较高的可靠性，而开放性则提供了系统互联和扩展的方便。通过上述分析，系统采用CAN通讯总线结构，其拓扑结构如图1所示。网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。其物理硬件包括现场设备单元一井下监测分站和监控主机的CAN通信模块。在监控主机上采用CAN网络通信卡。传输介质为双绞线，如果需要进一步提高系统的抗千扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器等措施。采用双绞线通信时，速率为1M bps/40m ，5Kbps/lOk m，结点数可达110个。
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图1煤矿井下人员考勤定位系统网络构成示意图
图2全矿井综合自动化系统
2、 CAN网络协议结构
CA N 网络 (ControllerA reaN etwork)是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国Boscb公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。CAN总线能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作，因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。CA N 协 议(CANS pecification2 .0P ortA +B)分为3层：目标层、传递层和物理层，主要对应于ISO (国际标准化组织)的OSI(开放系统互连)7层模型中数据链路层的媒体访问控制子层， 以及物理层的物理信号部分。
目前有三 种CAN通讯协议，包括CAN1.0,C AN2.OA和CAN2.OB,CAN2.OB是最通用的CAN通讯协议。CAN的三种通讯协议间的区别就是协议中定义的标识符的长度不同。CAN2.OA 协议中仅定义了具有11位标识符的标准帧数据结构，CAN2.OB协议中除了定义标准帧外还定义了具有29位标识符的扩展。符合CAN2.OB协议的CAN控制器支持被动2.0B或主动2.0B。被动2.0B控制器忽略扩展的29位标识信息(CAN2.OA控制器在接收29位标识时，将产生帧错误)，主动CAN2.OB控制器能够接收和发送扩展信息帧。发送和接收两类信息帧的兼容性准则归纳表1所示。主动CAN2.OB控制器能够收发标准和扩展的信息帧;CAN2.OB被动控制器能够收发标准帧，而忽略扩展帧，不引起帧格式错误;CAN1.0和CAN2.OA在接收扩展帧时，将产生错误信息。我们选用符合CAN2.OB协议的CAN控制器，并采用标准帧格式。标准帧格式(SFF)的标识码(ID)有II位，标识码就像是报文的名字一样使用在验收滤波器中，而且在仲裁过程中决定了总线访问的优先权。标识码的二进制值越低优先权越高。通信协议主要由CAN总线控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成CAN协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。CAN总线上的节点既可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有CAN接口的1/0器件。
3、基于CAN总线的分布式监控系统的优越性
较之目前许多基于RS-485总线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
（1）C A N 控制器工作于多主方式。网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。采用非破坏性总线优先仲裁技术，有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。
（2）C AN 总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。
（3）C A N具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的.另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种己形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。
三、 结束语
系统采用实时的网络化结构，地面网络采用以太网，井下网络采用本安的数据高速公路网络，具有较强的接口功能和网络功能，为煤矿企业实现信息管理现代化提供了先进的技术手段。煤矿井下人员定位考勤管理系统运行后，对于井下人员的考勤管理、瓦斯巡检员的跟踪、井下人员的搜救工作起到了良好的保证，在煤矿安全生产和现代化管理中发挥了重要的作用。
参考文献:
1 王显政等.煤矿安全新技术[M]，北京:煤炭工业出版社，2002
2 崔景岳.矿山监控技术［M］，北京：煤炭工业出版社.1994
3 孙继平.矿山监测与控制［M］，北京：北京工业大学出版社.1990
4 何立民.单片机应用系统设计[M]，北京:北京航空航天大学出版社，1990
作者简介：刘西青（1966-），女，北京市人，太原科技大学毕业，工程师、讲师，从事煤矿计算机网络应用课程教学研究和计算机校园网络管理工作。太原 030031
