煤礦井下人員定位考勤系統(tǒng)的通信模式探討

　　一、數(shù)據(jù)中心站與監(jiān)控主機之間的通信模式

　　數(shù)據(jù)中心站作為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心站的各種數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)連接，軟件結(jié)構(gòu)采用 C/S結(jié)構(gòu)。SQL Serve;是一個客戶了服務器關(guān)系型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。SQ L S e rve;支持客戶枷服務器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務器軟件之間的連接是由幾個軟件相互調(diào)用來實現(xiàn)的。

　　沁新煤礦人員定位系統(tǒng)的C/S務器軟件之間的連接是由幾個軟件相互調(diào)用來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫完成，因此在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)與數(shù)據(jù)中心站計算機Server端連接，網(wǎng)絡協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。SQL Serve;具有網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議即可。SQLServe;可以很方便地通過 Web站點共享數(shù)據(jù)，使用戶通過Web瀏覽器就能直接從SQL Server數(shù)據(jù)庫中訪問數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)庫具體表現(xiàn)為客戶端應用程序中的SQL語句，SQL 語句經(jīng)過數(shù)據(jù)庫服務器應用編程接口、網(wǎng)絡協(xié)議連接到網(wǎng)上，傳輸?shù)椒掌饕欢?，再?jīng)過服務器端的網(wǎng)絡協(xié)議、連接網(wǎng)絡軟件傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器軟件，由數(shù)據(jù)庫服務器軟件具體執(zhí)行SQL語句，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。從數(shù)據(jù)庫中取得的結(jié)果將按反方向送回給用戶。由于采用了C/S體系結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)在網(wǎng)絡上傳輸?shù)氖荢QL 語句及其執(zhí)行結(jié)構(gòu)。SQL語句從Client傳向Server,其執(zhí)行結(jié)果從Server傳向Client.減少了數(shù)據(jù)流量，提高了效率。

　　二、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心站能實時得到各個分站監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)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(jié)構(gòu)及方式

　　首先我們要分析整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向，井下分布在各個巷道口的監(jiān)測分站只與數(shù)據(jù)中心站進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡。而傳統(tǒng)的DCS中，不同廠家的產(chǎn)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(wǎng)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(nèi)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(wǎng)絡節(jié)點較多的情況下，為了使各種數(shù)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(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡通信卡。傳輸介質(zhì)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(zhì)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(jié)點數(shù)可達110個。

圖1煤礦井下人員考勤定位系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)成示意圖

圖2全礦井綜合自動化系統(tǒng)

　　2、 CAN網(wǎng)絡協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　CAN 網(wǎng)絡 (ControllerA reaN etwork)是現(xiàn)場總線技術(shù)的一種，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡通信協(xié)議，稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場總線。CAN網(wǎng)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(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)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(lǐng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(chǎn)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(quán)。標識碼的二進制值越低優(yōu)先權(quán)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(shù)據(jù)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(gòu)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(wǎng)絡上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)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(quán)使用網(wǎng)絡。采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)，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(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，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(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(guān)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(wǎng)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(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

　　三、 結(jié)束語

　　系統(tǒng)采用實時的網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)，地面網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，井下網(wǎng)絡采用本安的數(shù)據(jù)高速公路網(wǎng)絡，具有較強的接口功能和網(wǎng)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(shù)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(chǎn)和現(xiàn)代化管理中發(fā)揮了重要的作用。