（安全技术及工程专业论文）LON总线结构煤矿安全监控系统设计与研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y s est h ep r e s e n tc o a lm i n es a f e t ys u p e r v i s ea n dc o n t r o l s y s t e m ， i n t r o d u c e sl o n“e l d b u s t e c h n o l o g yt o t h ec o a lm i n es a f e t y s u p e r v i s ea n dc o n t r o ls y s t e m ，h a s t h o r o u g h l y s t u d i e dt h el o n w o r k s a g r e e m e n ta n di t sp r i n c i p l e ，h a sd e s i g n e dt b en e wl o n w o r k sf i e l db u s s t r u c t u r ec o a lm i n es a f e t y s u p e r v i s e a n dc o n t r 0 1 s y s t e m t h ep a p e r i n t r o d u c et h el o n w o r k sf i e l d b u sc o r et e c h n 0 1 0 9 y ，t a k et h ef i r e d a m pg a s d e n s i t ys u p e r v i s i o na n dm e a s u r ea s t h ee x a m p l e ， d e s i g nt h es i m u l a t i o n q u a n t i t yi n t e l l i g e n c en o d e ；t h ea f t e rt h ed e b u g g i n ga n dt h ei ns t a l l m e n t n o d eg a t h e ra n da n a l y z ed a t aa n dt h ec o n d i t i o nt h r o u g hf i e l db u s ，r e a l i z e r e a l 一t i m er e p o r ta n ds u p e r v i s ef u n c t i o n t h ep a p e ra n a l y s e st h ew e b g i sd e v e l o p m e n tt e n d e n c ya n dt h em i n e d i g i t i z a t i o ni m p o r t a n c e ，b r i n g f o r w a r dh o wt ou s et h ea d v a n c e dg i s t e c h n o l o g y ， t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed a t ab a n k t e c h n o l o g y ，r e a l i z e st h ec o a lm i n es a f e t ym o n i t o rp a r a m e t e rc e n t r a l i z a t i o n m o n i t o ra n dt h es e c u r i t yi n f o r m a t i o nc e n t r a l i z a t i o n m a n a g e m e n t ， t h e s t a t i s t i c sa n dt h ea n a l y s i s ，p r o m p t l y e f f e c t i v e l ym a n a g e st h ec o a l m i n e s a f e t ym o n i t o ri n f o r m a t i o n ，t h u se f f e c t i v e l yp r e v e n t so c c u r r i n gt h ec o a i m i n es e c u r i t ya c c i d e n t k e yw o r d s ：l o n w o r k sf i e l d b u st e c h n o l o g y ； s a f em o n i t o r i n g ； i n t e l l i g e n c e n o d e ：w e b g i s 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正 在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车 间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化 系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。 现场总线是应用于生产现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字式、多点通信的底层控制网络。 由于现场总线适应了工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展的方向， 它一经产生便成为全世界工业自动化技术的热点之一现场总线在过程控 制、制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用 背景l ”。 我国是一个矿产资源丰富的国家，采矿业在国民经济中占有一定比重。 随着我国改革开放不断深入发展，国民经济迅猛发展，生产力、生产关系发 生了质的飞跃。作为工业粮食的煤炭，经过上世纪九十年代的低谷以后，进 入二十一世纪发生了巨大变化。过去长期我国煤炭产量一直徘徊在8 至l o 吨，不到lo 年时间煤炭产量翻一番，一跃成为世界第一产煤大国。而且煤 炭供需矛盾不会很快得到缓解。煤矿向着大型化、信息化、现代化迅猛发展， 急切需要高新技术装备，特别是数字技术产品 但是，伴随生产飞速发展而来的是，安全与生产的矛盾更加突出。现有 的技术装备日益不能满足安全生产的要求，目前煤矿装备相当一部分还是苏 联援助中国时的五十年代技术，有的虽有改进，但还是远不能满足数字时代 安全的要求。煤矿安全生产迫切要求更可靠、灵敏、准确、更安全的数字化 产品装备。煤矿安全监控系统正是基于上述前提下提出的。 煤矿安全监控系统是一个集计算机、网络、数据库、自动检测与自动控 制、传感器与执行机构技术为一体的多学科综合性自动化系统，主要用于矿 井安全生产的监测、控制、分析、综合决策及调度等。煤矿安全监控系统主 要由系统上位机( 监控主机) ，通信适配卡( 器) ，中继器，总线转换网桥和 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 系统智能节点五种类型的节点组成。其中，系统上位机是整个矿井安全监控 系统中最复杂的站点，它的设计好坏直接关系到整个煤矿安全监控系统能否 正常运行。传统的系统方案中，系统上位机采用集中控制方式，在实际施工 以及系统运行过程中，集中式矿井安全监控系统存在接线复杂、维修困难、 危险集中等缺点。为了克服上述缺点，作者采用现场总线技术来设计新型的 煤矿综合安全监控系统。 ， 煤矿生产中安全问题是最关键的问题，在煤矿监控系统中应用成本低、 功能全、性能可靠的现场总线技术已逐渐成为节约成本，确保安全的必要手 段。近年来l o n w o r k s 总线技术的发展和完善使其在众多总线技术中脱颖而 出，成为煤矿安全监控的首选总线。 - 煤矿井下监测点星罗棋布、系统庞大、传输距离远、生产环境恶劣，作 为一种具有本安性的分布式智能总线网络，l o n w o r k s 总线能将监测点做到 彻底的分散( 在一个网络内可带3 2 0 0 0 多个节点) ，可以满足矿井安全监控的 要求。在矿井监控系统中主要包括矿井环境参数及工矿参数的监测与控制 环境参数主要有瓦斯浓度、风速、温度、风筒压力等；工矿参数包括煤仓煤 位、水仓水位、皮带开停、设备起停、风门开关等【2 1 。每一种需要监测的参 数和控制仪器都对应相应的智能节点，节点通过收发器接入总线网络进行通 信，也可以与上位机进行通信实现必要的监控。系统根据监测到参数就地进 行控制和发出报警信号 ， 本论文研究的煤矿安全监控系统主要用于煤矿行业安全生产现场的监 测控制，它是以工业控制计算机为中心的集成环境安全、生产监控、信息管 理、工业图像监控和多种子系统为一体的分布式全网络化新型煤矿综合监控 系统。本煤矿监控系统能在地面中心站连续自动监测矿井各种环境参数、生 产情况，每天输出监测报表、对异常状况实现声光报警和超强断电控制。 考虑到其系统用于煤矿这种特殊环境，在研究过程中更重视了它的使用 价值，以便能够广泛的推广应用，使其真正达到确保煤矿安全生产的目的 1 2 矿井安全监控系统概况 2 0 0 0 年以来，随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自 身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续装备了 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 矿井安全监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生 产管理效率，同时也为该技术的正确选择、使用、维护和企业安全生产信息 化管理提出了更高的要求。 我国煤矿安全监测监控技术应用较晚【3 1 ，8 0 年代初，从波兰、法国、德 国、英国和美国等( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n - 2 0 0 ) 引进 了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并 结合我国煤矿的实际情况，先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l o 、k j l 3 、k j l 9 、 k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实 践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局 矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平 低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘 汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。 特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面 临更新改造的机遇。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要， 国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、 k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 等煤矿安全综合化和数字 化监测管理系统。同时，在“以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和 煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦 斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如 雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在 市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识 ，煤矿安全监控系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监 测监控以及不同监测监控系统的联网监测，其主要由监测终端、监控中心站、 ， 通信接口装置、井下分站、传感器组成【】。结构图如2 - l 所示： ( 1 ) + 系统中心站 ， 环境监测：主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条 件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负 压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 图2 - l 煤矿安全监控系统结构图 生产监控：主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要 设备的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率 等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力起动 器运行状态和参数等。 中心站软件：具有测点定义功能；具有显示测量参数、数据报表、 曲线显示、图形生成、数据存储、故障统计和报表、报告打印功能。其中， 部分系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的t c p i p 网络协议实 现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。 随着计算机软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正 不断更新版本，如k j f 2 0 0 0 系统中心站应用软件版本2 4 0 和m s n m 局域网 络终端应用软件版本1 1 的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而且 具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分析功能；具备皮带运输机全 线火灾监测功能；具备井下瓦斯抽放监控功能。 ( 2 ) 煤矿监控系统井下分站 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能： 开机自检和本机初始化功能，通信测试功能，分站设程控功能( 实现断点仪 功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等) ， 死机自复位功能且通知中心站，接收地面中心站初始化本分站参数设置功能 ( 如传感器配接通道号、量程、断电点、断电点、报警上限和报警下限等) ， 分站自动识别配接传感器类型( 电压型、电流型或频率型等) ，分站本身具 备超限报警功能，分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实旌手 控操作功能和异地断电功能。 ( 3 ) 系统配接的各种传感器控制器 传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和 设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测监控系统的传感 器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、电流、 电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈电状态、 风门开关状态等开关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满足了煤矿安 全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、稳定 性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器( 如瓦斯传 感器) 的稳定性还不能满足用户的需要。 1 3课题研究的主要内容 目前国内煤矿井下应用现场总线的情况为数不多，本论文对煤矿安全监 控系统进行了研究。通过对现有煤矿安全监控系统进行分析，将现场总线技 术引入煤矿安全监控系统，结合导师项目“煤矿安全生产数字化网络 ( w e b g i s ) 实时监测与监管系统( 项目编号：2 0 0 4 e c o 0 0 0 9 1 ) ”设计了新型总线 结构的煤矿安全监控系统。 本论文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 对现场总线技术的发展背景、特点与优点进行了阐述，对目前比较 有影响的几种现场总线技术进行了研究，在分析对比的基础上，选择l o n 总线作为新型煤矿安全监控系统的设备层通信总线。对l o n w o r k s 协议及其 原理进行了比较深入的研究，并且将l o n w o r k s 总线技术应用到煤矿安全监 控系统中。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 ( 2 )设计了新型的l o n 总线结构煤矿安全监控系统，对系统的井上部 分、井下部分以及系统各节点之间的通讯协议以及l o n w o r k s 网络的本安性 进行了优化设计。对系统的主要设备进行了合理的选择与设计，包括监控主 机、交换机、系统传输介质、网关、监控分站等。 ( 3 ) 对系统智能节点的设计。在对智能节点设计的一般方法的分析与研 究的基础上，针对井下需要监测的环境参数，以瓦斯浓度监测为例设计了模 拟量监测节点，模拟量监测节点包括数据采集单元、显示报警单元等电路的 硬件、软件设计。 ( 4 ) 采用先进的g i s ( 地理信息系统) 技术、网络通讯技术、数据库技术， 实现煤矿的安全监铡参数集中监测和安全信息的集中管理、统计、分析，及 时有效地管理煤矿安全监测信息，从而有效防止煤矿安全事故的发生。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 2 现场总线技术 2 1 现场总线技术概述 2 1 1 现场总线的发展背景 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正 在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车 间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化 系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术【 ， 随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，计算机与计算机网络系统 得以迅速发展【9 1 据统计，在过去2 0 年里，计算机和通信的年增长率不低 于2 5 ，使计算机集成制造系统的实施具备了良好的物质基础。但处于企 业生产过程底层测控自动化系统，要与外界交换信息。要实现整个生产过程 的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行 的、性能可靠、价格低廉的通信系统，以实现现场自动化设备之间的多点数 字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外 界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行 多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网 络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的 应用前景。 2 1 2 现场总线的特点与优点 ( 1 )现场总线特点嘲嘲 系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标 准的共识与遵从一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标 准的其他设备或系统连接。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实 现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放 系统。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统， 通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统 互可操作性与互用性：互可操作性，是指实现互连设备间、系统间 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实 现相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程 量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性：现场总线己构成一种新的全分散性控制系 统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系 统体系，简化了系统结构，提高了可靠性 对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的 现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射 频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与 通信，并可满足本质安全防爆要求等。 ( 2 ) 现场总线具有以下优点【7 】： 节省硬件与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直 接执行多种传感器控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需 要单独的调节器、计算单元等，也不需要d c s 系统的信号调理、转换、隔 离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了 一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用；现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条 电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少， 连线设计与接头校对的工作量也大大减少当需要增加现场控制设备时，无 需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设 计和安装的工作量，据有关典型试验工程的测算资料表明可节约安装费用 6 0 以上。 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能 力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有 设备的运行状态，诊断维护信息以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了 维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备 的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议，接口而一筹莫展，使系统集 成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送 误差，同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加 强，减少信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于 重构等优点。 2 l 3 几种有影响的现场总线技术 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特 定的应用领域显示了自己的优势f 钉。它们具有各自的特点，也显示了较强的 生命力。下面对几种比较有影响的现场总线技术进行比较，从而选择在本系 统中采用的总线。 ( 1 ) 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o 蚰d a t i o nf i e l d b u s ) 是在过程自动化领域得到 广泛支持和具有良好发挥前景的技术。基金会现场总线能适应本质安全防爆 的要求，可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。其优点是配置 灵活、协议的功能齐全；其缺点是实现复杂，兼容设备有限，另外其标准化 的进程以及被工业应用接受的进程较慢。 ( 2 )p r o f i b u s p r o f i b u s 采用o s i 模型的物理层、数据链路层。f m s ( 现场信息规范) 还采用了应用层。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。p r o f i b u s 的 优点是能够高速处理大量的数据，对于每个节点来说。每个报文最多可包含 2 4 4 个字节的数据。其缺点是传送的数据少时，额外开销大，因为每个报文 均有1 2 个字节的额外开销。另外，p r o f i b u s 在总线上没有电源。 ( 3 ) c a n c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 协议是建立在国际标准组织的开放系统互 联基础上的，其信号传输介质可为双绞线、同轴电缆或光缆。c a n 的信号 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，传输时间短，受干扰的概 率低。c a n 属于总线式串行通信网络，与一般的通信网络相比，c a n 总线 的数据通信具有可靠性、实时性和灵活性 ( 4 )h a r t h a r t ( h 蟾h w a ya d d r c s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 在现有模拟信号传输 线上，实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品 h a r t 协议的物理层采用f s k 技术，在4 2 0 m a 模拟信号上叠加了一个频率 信号，使模拟通信与数字通信能同时进行，而不相互干扰。h a r t 属于模拟 系统向数字系统过渡过程中的一种过渡性协议，是现场总线的雏形。h a i 玎 采用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系 统主机作为主设备的双主设备系统。h a r t 的通信速率较低，限制了它的应 用范围。 “ ( 5 )l o n w o r k s l o n w o r k s 是一具有强劲实力的现场总线技术5 1 它是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形 成的。它采用了i s 0 ，o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计 方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ；支持双绞线同轴电缆光纤射频 红外线电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全坊爆产品，被誉为 通用控制网络。 。 ( 6 ) 结论 l o n w o 伙s 控制网络，其核心技术是神经元芯片及其内部固件l o n t a l i 【 网络通信协议，l o n w o r k s 总线能支持多种介质的收发器并配有强有力的开 发工具，为用户方便实现网络环境下的通信、控制、调度和i ，o 功能提供了 技术支持，使得现场仪表之间、现场仪表与控制室设备之间构成底层网络互 连系统，实现全数字、双向、多变量数字通信) 与其它总线相比，l o n w o r k s 总线技术有如下特点唑。 开放性：网络协议开放，对任何用户平等。 互操作性：l o n w o r k s 通信协议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s 0 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 定义的开放互连( o s i ) 模型，任何制造商的产品都可以实现互操作。 通信媒介：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、 同轴电缆、无线射频、红外线等，并且在同一网络中可允许多种通信媒介存 在。 总线的基本单元神经元( n e u r o n ) 芯片同时具备了通信与控制功 能，并且固化了i s o o s i 的全部七层通信协议以及3 4 种常见的i o 可编程 控制对象。 改善了c s m a ，l o n w o r k s 称之为p r e d i c t i v ep p e r s i s t 雏tc s m a ( 可预 测坚持冲突检测) 这样，在网络负载很重时，不会导致网络瘫痪。 网络通信采用了面向对象的设计方法，l o n w o r k s 称之为“网络变 量”，使网络通信的设计简化为参数设置。这样既节省了大量的设计工作量 同时又增加了遥信的可靠性。 l o n w o r k s 技术的通信每帧有效字节数可以从o 一2 2 8 个字节，通信 速度最高可达1 2 5 m b p s ( 有效距离为1 3 0 m ) ，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 双绞 线，7 8 k b p s ) 。 ， 正由于l o n w o r k s 总线具有上述特点，才使得其在自身的发展过程中逐 步脱颖而出，成为众多总线中的佼佼者，因而在许多领域得到广泛的应用 l o n w o r k s 总线具有网络结构灵活，传输介质开放，可在双绞线、同轴 电缆、光纤、电力线、射频电缆等各种通信介质通信，并且可以在同一网络 中多种不同介质混合使用【1 0 ，；总线访问采用改进的可预测的c s m a 技术， 在负载较轻时，使介质访问延迟最化；而在负载较重时，使冲突的可能性最 小化。传输速率最大为1 2 5 m b p s ；更重要的是具有用于爆炸性环境的本质 安全型防爆产品；可使用同一电缆向现场设备供电。因此具有网络结构灵活、 传输介质开放、可以主从方式工作、实时性强、节点多传输速率高、可利用 同一电缆向现场设备供电和传输信号、具有本质安全型防爆产品等优点的 l o n w o r k s 总线必将成为煤矿监控总线的首选，因此本系统选用l o n w o r k s 总 线结构。 2 2l o n w o r k s 现场总线技术 2 2 1l o w o r k s 概述及系统结构 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o n 现场控制网络包括现场控制节点这些节点可以是直接采用神 经元芯片作为通信处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的h o s t b a s e 节点、通信介质和通信协议。l o n w o r k s 技术是集成这样一个网络的完 整的开发平台【9 1 。 l o n w o r k s 技术包括以下几个组成部分； ( 1 ) 网络传输介质 ( 2 ) l o n t a l k 协议( 网络协议) ( 3 ) 网络设备 ( 4 ) 执行机构 ， ( 5 ) 管理软件 其中，网络设备包括智能控制单元、路由器和网关等；执行机构包括传 感器、变送器等。管理软件包括l o n t a l k 开放式通信协议，并为设备之间交 换设备状态信息建立了一个通用的标准。在l o n t a l k 协议的协调下，以往那 些孤立的设备融为一体，形成一个网络控制系统。l o n t a l k 是面向对象的网 络协议，支持o s i 七层协议，设备节点之间的数据传递通过网络变量的互联 实现。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是除l o n t a l k 协议之外的又一l o n w o r k s 技术核心产品它不仅是l o n 总线的通信处理器，l o n w o r k s 中所有关于网 络的操作实际上都是通过它来完成的 ( 1 ) l o n w o r k s 节点 节点被称作智能设备，它包括一个神经元芯片，l o n t a i k 收发器，存储 器电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络 接口卡都是节点节点具有两种类型：基于芯片的节点和基于主机的节点 基于芯片的节点：神经元芯片是一组复杂的v l s i 器件，一个神经 元芯片包括应用c p u 、i o 处理单元和通信处理器。因此，一个神经元芯片 加上收发器就可构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简单数据 处理任务，图2 一l ( a ) 为基于芯片的节点结构框图。 基于主机的节点：神经元芯片是8 位总线，最高主频为l o m h z 。对 于一些复杂的控制，如带有p i d 算法的单回路、多回路，其控制就力不从心。 而采用h o s tb a s e 结构是解决这一矛盾的好方法；将神经元芯片作为通信处 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 ( a ) 基于芯片的节点( b ) 基于主机的节点 t 图2 1 l o n 节点 理器，用高级主机的资源完成复杂的测控功能。图2 1 ( b ) 是一个典型的基 于主机的节点结构图。其中主处理器可以是微控制器或者是p c 机等。 ( 2 ) 路由器 路由器是l o n w o r k s 技术的一个主要部分，用来连接不同通信介质的 l o n 网络在l o n w o r k s 技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和 路由器。路由器除连接不同媒介的l o n 网络外，还能控制网络交通，增加信 息通量和网络速度。 ( 3 ) 网络协议 设备在运行程序的适当时刻发布信息。由于这些程序不是同步运行，也 可能有多个设备试图同时对话。因此，设备间的信息传递需要以一系列的规 则和进程的形式加以组织。这些规则和进程称为通信协议，通常简称协议 协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送 信息时所期望对方采取的操作。协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备 内，或通过网络管理工具下载到设备中。l o n w o r k s 技术采用l o n t a l k 协议。 ( 4 ) 通信媒介 通信媒介是节点( 设备) 之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力 线、红外线、光纤和同轴电缆等。 ( 5 ) 网络管理工具 一个典型的现场控制节点( 智能测控单元) 主要包括以下几个功能块： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 应用c p u 、i ，o 处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单个节点建成之 后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻 辑地址，同时也要将每个节点的网络变量和显示报文连接起来。一旦网络建 成并正常运行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有网 络节点网络变量的显示报文变化的情况，网络管理工具的主要功能有：网络 安装、网络维护以及网络监控。 2 2 2l o w o r k s 的核心技术 l o n w o r k s 总线的核心技术包括神经元芯片以及固化在芯片内部l o n t a l k 通信协议【5 1 。 ( 1 ) 神经元( n e u r o n ) 芯片简介 ，l o n w o r k s 技术的核心是神经元( n e u r o n ) 芯片，神经元芯片主要包括 m c l 4 3 1 5 0 和m c l 4 3 1 2 0 两大系列。3 1 2 0 x x 芯片中包含e 2 p r o m 、r a m 和 r o m 存储器；而3 1 5 0 芯片内部无r o m ，但拥有访问外部存储器的接口，寻 址空间可达6 4 k b ，可用于开发更为复杂的应用，n c u r o n 芯片的主要特点有： 高度集成，所需外部器件较少；。 三个8 位c p u ，输入时钟可选择范围6 2 5 h z l o m h z ； 片上存储器； 1 1 个可编程i ，0 引脚( 有3 4 种可选的工作方式) ； 两个1 6 位定时器，计数器； 1 5 个软定时器； 5 个网络通信端口：有三种工作方式可供选择：单端方式、差分方 式和专用方式； 固件包括；符合0 s i 七层协议的l o n t a l k 协议；i ，o 驱动器程序； 事件驱动多任务调度程序； 、 服务引脚：用于远程识别和诊断； 4 8 位内部的n e u r i d ；用于唯一识别n e u r o n 芯片。 l o n w o r k s 智能节点和l o n t a l k 通信协议是现场总线控制运行的基础。智 能节点支持分散化、智能化的特征；l o n t a l k 通信协议满足了现场智能节点 之间无拥塞、快速安全的通信要求。神经元芯片是智能节点的核心，它提供 辽宁工程技术大学硕士学位论文 通信、控制、介质访问、i o 接口、i ，o 应用数据库、l o n t a l k 协议、操作系 统等软、硬件功能模块，并通过收发器实现与外部的通信。神经元芯片内部 结构如图2 2 所示： r o m m a c 通信 网络应用 e 2 p r o m li c p uc p u c p u ir a ml 3 1 2 1 x x jlj强“ i 。 i - 。 i 。 f： 地址 地址总线 i 1 上 、 jn e u r a lj 时钟 l 应用- ，。模块 f 网络通信口 i l d i 定时器 ( 收发器) ljk t ttt r e s e ts e r v i c ec l k l c l k 2 i o o 1 0 9i oloc p o c p 4 图2 2神经元芯片内部结构 神经元芯片是l o n w o r k s 技术的核心嘲。所有得到和处理信息、做出决 定、生成输出和传播控制信息、标准协议、使用不同的通信介质所需要的功 能都包括在每个神经元芯片中。在芯片中有三个8 位的c p u ，第一个c p u 为介质访问控制处理器，它处理l o n t a l k 协议的第一层和第二层，包括驱动 通信子系统硬件和执行冲突避免算法处理器1 与处理器2 使用位于共享存储 区的网络缓冲区进行通信，正确地对在网络上传播的报文进行编码和解码。 第二个c p u 为网络处理器实现l o n t a l k 协议的第三层到第六层，进行网络 变量的处理、寻址、事务处理、证实、背景诊断、软件计时器、网络管理、 函数路径选择等，控制网络通信r l ，物理地发送和接受数据包，该处理器使 用共享存储区中的网络缓冲区与处理器l 通信，使用应用缓冲区与处理器3 通信。第三个处理器是应用处理器，它执行由用户编写的代码所调用的操作 系统服务。芯片处理器组织和存储器分配的示意图如图2 3 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 圈2 3处理器结构及存储区分配 ( 2 ) 芯片通信端口 n e u r o n 芯片有一个通用的通信口，它由5 个管脚组成，可以配置为与各 种通信介质接口( 网络收发器) ，并且可以覆盖广泛的数据速率，通信口分为 单端、差分、专用三种模式。由c p o c p 4 组成的通信接口，既可直接驱动， 也可外接变压器驱动或外接4 8 5 总线驱动。传输速率的选择范围为o 6 k b ，s 一1 2 m b s 。 单端模式是总线中使用最广泛的一种模式，无线、红外、光纤和同轴电 缆都使用该模式。数据通信通过单端输入引脚c p o 和输出引脚c p l 该模 式还包含低有效的睡眠输出( c p 3 ) ，它使神经元芯片进人睡眠状态时收发器 进人掉电状态。在单端模式下，数据编码和解码采用差分曼彻斯特编码。 在差分模式下，神经元芯片支持内部的差分驱动，同时不再包含睡眠输 出，其数据格式与单端模式相同。 在一些专用场合，需要神经元芯片直接提供没有编码和不加同步头的原 始报文。在这种情况下，需要一个智能的收发器处理从网络上或神经元芯片 上来的数据。这样的智能收发器包括输入和输出缓冲器、智能控制功能，并 提供芯片和收发器之间进行数据传送的握手信号。 ( 3 ) 芯片输入输出 神经元芯片和其他设备的互连是通过它的1 1 个i 0 口i o o i o l o 。这 些管脚可以通过不同的外部设备i 0 的要求，由神经元芯片专用的编程工具 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n e u r o nc 提供i ，0 定义将1 1 个i ，o 灵活的配置成不同的输入输出方式另 外，2 个1 6 位定时器计数器可用于频率和定时l ，o 。由固件产生的1 5 种软 件定时器并不占用应用处理器的运算时间，而由完成网络功能的处理器实 现。因此，用户可直接使用软件定时器，不必考虑其具体操作。 神经元芯片提供的1 1 个l o 引脚( i o o 1 0 1 0 ) 有3 4 种预编程设置，支持 电平、脉冲、频率、编码等各种信号模式，有直接i o 对象、定时器，计数器 i 0 对象、串行i 0 对象、并行i o 对象等供用户选择。它们与集成的硬件 和固件一起可用于连接马达、阀门、显示驱动器、a d 转换器、压力传感器、 热敏电阻、开关量、继电器、可控硅、其他处理器和调制解调器等。 ( 4 ) 附加功能 n e u r o n 芯片具有睡眠唤醒电路、看门狗定时器和服务引脚等附加功能。 n e u r o n 芯片可以在软件控制下进入低耗的睡眠状态，此时，振荡器 系统时钟、通道端口所用的定时器计数器均关闭。但是，所有的状态信息( 包 括内部r a m 中的内容) 都保留，这样可以降低系统功耗 n e u r o n 芯片中的处理器由三个看门狗定时器保护，主要针对软件错 误或存储器错误。若系统软件或应用软件不能周期性地复位定时器，则整个 神经元芯片将被自动复位；在l o m h z 时钟下，看门狗定时器大约持续o 8 4 s s e r v i c e 引脚在芯片固件的控制下，为配置和安装含有芯片的节点 时使用。该引脚的可编程上拉电阻由应用软件选择。 ( 5 )面向对象的编程语言n e u r o nc n e u r o n c 是一种编程语言，它以a n s i c 为基础，专门为神经元芯片所 设计，并针对l o n w o r k s 分布控制的应用，经优化、加强而成的一种程序设 计语言。它增强了对i ，o 支持、时间处理、报文传递等功能，其扩充部分包 括软件定时器、网络变量、显式报文、一个多任务调试、e 2 p r o m 变量和复 杂函数等。n e u r o nc 语言提供的主要特征和支持包括以下内容【l i 】： 一个内部多任务调度程序：允许程序员以一种自然的方式逻辑地表 达由事件引发的并行任务，并可以控制任务执行的优先级。 一个r u n t i m e 函数库：调用时执行事件检查、i ，o 管理、网络信息 的接收和传送、n e u r o n 的多种控制等。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 实现对i ，0 操作显式的控制：通过对i ，o 对象的说明来定义标准化 n e u r o n 芯片特有的多功能。 新一级对象“网络变量”的说明语句：网络变量作为n e u r c 语言的 对象，无论何时被赋值，其值都可自动地传遍网络。网络变量的引人和使用 了节点间的数据共享。 新语句“w h e n ”：定义由事件驱动的任务。 支持显式报文传递：实现对基本l o n t a l k 协议服务的直接访问。 一种对毫秒和秒计时器对象说明的语句：它们在停止计数时将会激 活用户定义的任务。 ， 利用n e u r o nc 语言提供的支持，可大大简化网络软件的开发和应用， 使开发人员几乎感觉不到在网络环境下编程 2 2 3l o n w o r k s 通信协议l o n t a i k 1 9 9 3 年，美国e c h e l 蚰公司推出了l o n w o r k s 新技术，提供了开放的低 层通信网络( l o n ) ，称为l o n t a l k 协议。采用神经元芯片的网络节点含有 l o n t a l k 协议固件，使得网络节点可以可靠地通信，完成各种功能。网络节 点是相互独立，可以做到在任意节点发生故障时，不会影响整个网络工作， 从而提高了系统的可靠性和可维护性；另外，由于各节点具有本地存储和处 理能力，系统的安全性很高，并且在系统规模大时避免网络通信的冲突和网 络速度的局限性【”。 l o n t a l k 协议符合i s 0 o s i 参考模型的七层体系结构，即含有物理层、 链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，是一套完整、安全、 有效的通信协议系统 ( 1 ) l o n t a l k 协议特点 l o n t a l k 协议采用分级编址方式，即域、节点和子网地址 l o n t a i k 协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线同轴电缆、 红外线、无线电和光纤传输介质等。 互操作性强。网络上任一节点可以对其它节点进行操作，传输控制 信息。 ( 2 ) l o n t a l k 协议的功能 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 l o n t a l k 协议符合i s o 制定的开放系统互联o s i 标准，具有完备的七层 协议，如表2 1 所列，由表中可以看出，l o n t a l k 提供的服务包括；物理信 息管理；命名机制、数据包寻址和路由选择；通信的高可靠性；优先级管理 和外部帧和数据表示等。 表2 一ll o n t a l k 协议的各层功能 ( 3 )l o n t a l k 提供的服务 l o n t a l k 协议支持一种或多种不同传输介质