1．引言

    现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。随着计算机技术和网络技术的发展，现场总线及其总线接口模块、智能仪表、控制设备的组成的FCS 现场总线监控系统，已经成为系统的开放性、经济性、可靠性、可互操作性、设备功能的自治性、结构的分散性、及对用户的维权性，受到国内外各个大公司和用户的重视和青睐。现场总线技术搭建的FCS把单个分散的测量控制设备变为网络接点，以现场总线为纽带，进行实时一对多的信号传输，简化了系统结构，方便远程距离的传输。煤矿监控系统包括安全监控和生产监控，煤矿的监控技术深刻地影响着煤矿的安全和生产力水平，由于煤矿井下的环境差，标准化的现场总线还没有在煤矿监控系统中得到应用。将开放的成熟的现场总线技术应用到煤矿监控系统中是煤矿监控技术发展的必然趋势。

2 系统结构的具体分析

    煤矿监控系统的主要目的是保障煤矿安全，提高生产效率。

    由于借鉴了现场总线技术，大大简化了系统结构，提高了系统设备接口标准化、功能模块化。系统可大可小，易于重构，非常适用于煤矿井下监控布局经常变更的特点。同时，由于煤矿井下监控点多是沿巷道线性分布，转换器设计在监控现场，具有监测、计算、补偿、控制的功能，适合煤矿井下监测点比较分散的特点。监控点与通信电缆就近连接，沿巷道敷设一根电缆，使系统的一次性投资，安装费和维护工作大大减少。
    根据煤矿的特点，结合现场总线思想，系统结构如图所示，它是由地面信息管理网络系统、监控主机、智能接口、调制解调器、智能转换器、各种智能仪表、传感器、控制器等组成。

    监控系统的管理决策层是标准的信息管理网络系统，由服务器和各类终端组成，包括生产技术管理、生产调度管理、计划管理、财务管理、人事管理、煤炭运输、煤炭销售管理、物资供应管理、机电设备管理、通风管理和安全监察管理等子系统，是一个综合信息管理和辅助决策支持系统。它要求能对全矿井各主要业务部门及矿井上下安全生产情况的信息进行管理，并对有关信息进行整理、分析、存储，为矿领导的决策提供可靠的科学依据。同时可与上一级网络交换数据。

    控制层是由监控主机和图形工作站模拟盘等组成，负责监控信息的采集、整理、优化及过程数据存储、图形显示、报表打印等信息。是系统管理人员与系统对话的层面，对监控系统各设备之间关系进行定义，并进行故障诊断和高级控制，同时接受管理决策层的指导。

    现场控制层是由底层控制站、井下控制装置、传感器探头转换器等组成，接受高级控制层的定义、命令、并对设备进行监测和控制。由于煤矿的恶劣环境、监控距离长、范围广，监控系统要求对风速、风门、二氧化硫、一氧化碳、温度、湿度、氧气、甲烷浓度等参数进行监控来采集数据和处理数据，发出控制信号来控制设备的开、停状态、传输系统的速度、电力系统的电流、电压、功率因数、以及对供热系统的压力、流量、温度、水库的水位等参数进行监测、控制、计量。同时还有许多监控子系统，如机车跟踪系统、运输系统、瓦斯抽放系统等，这些信息通过转换器送到系统中。

3 现场总线优化数据传输

    现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。 

    煤矿监控系统对现场总线的基本要求是要传输距离远、响应时间快、抗干扰能力强适应煤矿的恶劣环境。煤矿监控系统是基于微型计算机及信息传输网络组成的监测和监控系统。由于其工作环境复杂，信号的采集和传输及系统的运行的每个环节都会引起干扰。特别是在煤矿强大电力生产环境下，电磁干扰非常严重，造成误码、误动，影响监控精度甚至使系统无法正常工作。现场总线采用数字信号传输。数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号；数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。            

    在众多的现场总线中，CAN属于总线式串行通信网络,由于CAN总线具有低成本，易开发、实时性好、抗噪声性能强等优点，传输速度最高1Mb/s（传输距离40m时）最大距离达到10km（5kb/s），最多节点数为110个，若加中继器或网关等设备后可以扩展通讯距离和节点数量，使用内嵌ADC，DAC 和CAN通信接口的单片机。由于其独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线早已成为国际标准，其应用范围也从最初的汽车电控逐步扩展到工业控制的各个领域，成为最有前途的现场总线之一。CAN总线上的节点一般采用单片机外加CAN控制器的设计方法，不利于产品的集成和成本的降低。

    P87C591有44个引脚，是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器。它从MCS-51微控制器家族派生而来，采用了强大的80C51指令集并包括了Philips半导体SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节点方式。振荡器可停止和恢复而不丢失数据。改进的1：1内部时钟分频器，在12MHz外部时钟速率是实现500ns指令周期。中央处理器CPU使用的操作数来自3个存储空间：16KB内部程序存储器，可扩展到64KB；512B内部数据存储器；最大64KB外部数据存储器。
    
    系统采用Philips公司的P87C591单片机为核心, P87C591单片机自带了16kb的内部程序存储器和512字节的数据RAM。基于P87C591的CAN节点接口应用电路十分简单，只需要附加一些CAN收发电路就可以进行CAN总线数据传输。CAN收发芯片采用philips公司的TJA1050收发器。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力 ，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与TJA1050的TXD和RXF相连，而是通过高速光电耦合器6N167与TJA1050相连。这样，就可以很好地实现总线上的总CAN节点间的电器隔离。不过，应该特别说明的一点是，光电耦合器采用的是两个独立的电源供电，电源Vcc和CAN_V必须完全隔离，否则光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率的电源隔离模块或通过带多路5V隔离输出的开关电源模块实现。单片机最大的优点是内部集成了CAN控制器，不但降低成本，而且也大大简化了系统的硬件设计。在煤矿的监控系统中采用CAN总线技术的数据采集系统，正以其通信可靠，抗干扰性好，传输距离远的特点，越来越受到人们的重视。

4  结束语
    
    将开放的、标准的现场总线技术应用于煤矿监控系统是完全可行的，CAN总线技术可以作为优先选用的技术。采用CAN总线技术的数据采集系统，正以其通信可靠、抗干扰性好、传输距离远的特点、越来越受人们的重视。CAN总线的应用前景将更加广阔。煤矿监控系统采用现场总线技术后，将大大提高煤炭企业的自动化水平，并给现在的安装、调试、使用和维护带来极大的方便。

参考文献

[1]  李广弟. 单片机基础. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2001

[2]  何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990

[3]  阳宪惠. 现场总线技术及其应用.  北京:清华大学出版社, 1999

[4]  邬宽明. CAN总线原理和应用技术设计  北京. 北京航空航天大学出版社 1996