基于RS-485總線在煤礦井下通訊故障的探究

錢春震 王棟

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦,山東濟(jì)寧 272100)

基于RS-485總線在煤礦井下通訊故障的探究

錢春震 王棟

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦,山東濟(jì)寧 272100)

介紹了RS- 485 總線的特點(diǎn)及其在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用, 著重闡述了影響RS- 485總線通訊速度和穩(wěn)定性的原因,并從硬件和軟件方面提出了解決方案, 以及在施工設(shè)計(jì)RS- 485 總線時的一些重要細(xì)節(jié)。

RS- 485總線 通訊協(xié)議 信號反射

濟(jì)寧三號煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)使用為天地(常州)自動化股份有限公司生產(chǎn)的KJ95N煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)于2011年7月正式投入運(yùn)行。系統(tǒng)采用實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具備完善的安全監(jiān)測、生產(chǎn)監(jiān)控、管理等功能,可對全礦井上、下環(huán)境參數(shù)及全礦各主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程,進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、打印等功能,并可方便地與礦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)資源共享,形成全礦井的監(jiān)測信息管理中心,并可以與公司進(jìn)行網(wǎng)間互聯(lián),以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時地傳到集團(tuán)公司。

由于煤礦井下空間小,采煤機(jī)、輸送機(jī)等大型設(shè)備啟停等造成電磁干擾嚴(yán)重,環(huán)境惡劣。對影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的幾個因素進(jìn)行總結(jié)：

我礦安全監(jiān)測系統(tǒng)安裝時,由安全儀器監(jiān)測工專職負(fù)責(zé),持證上崗,監(jiān)測線單獨(dú)鋪設(shè),杜絕與交流線纜、鎧裝電纜等動力電纜敷設(shè)在同一電纜掛鉤上。監(jiān)測線盡量盡量與信號較強(qiáng)(如喊話器信號線)信號線正交,避免平行,消除電磁耦合。在我礦安全監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)上所用監(jiān)測線全部采用帶有屏蔽層的監(jiān)測線,并且將屏蔽層接地,有效降低了信號的誤碼率,屏蔽了干擾信號。

在井下安全監(jiān)測系統(tǒng)RS-485總線環(huán)網(wǎng)上,有一個安全監(jiān)測系統(tǒng)分站出現(xiàn)通訊故障,就可能導(dǎo)致整個井下環(huán)網(wǎng)的通訊故障。好幾十千米的環(huán)網(wǎng)上排除故障很是困難。我礦出現(xiàn)幾次這種問題后,經(jīng)過技術(shù)人員分析論證,原來是監(jiān)測系統(tǒng)子站節(jié)點(diǎn)失效后網(wǎng)絡(luò)被鎖死,在總線上485信號電平模糊,使得這個子站節(jié)點(diǎn)一直掌握著控制權(quán),環(huán)網(wǎng)總線一直處于忙碌狀態(tài),不能正常收發(fā)子站節(jié)點(diǎn)信息。解決方法：在KTG2A設(shè)備上添加上拉、下拉電阻。消除子站節(jié)點(diǎn)對總線的干擾,采用添加PTC電阻的方法。

1 傳輸線分布參數(shù)對信號的衰減

在電路理論中,所研究的線性無源網(wǎng)絡(luò)都是由電阻(R)、電容(C)和電感(L)組成的集中參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。不難理解,信號傳輸線的任意長度的任意長度的任意一段上,都有電感、電容、電阻和絕緣電導(dǎo)存在。因此,傳輸線又稱為分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。

傳輸線的電阻R由直流電阻R0和交流電阻R1組成,即R=R0+R1

直流電阻R0的大小與傳輸線所采用的金屬導(dǎo)電材料的電阻率、導(dǎo)線截面積、長度、溫度有關(guān),并與導(dǎo)線截面積成反比,與導(dǎo)線的電阻率成正比,與溫度成正比關(guān)系。交流電阻R1主要由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生。交流電阻的大小隨頻率的增大而增大。我礦采用9600bps的波特率,在傳輸速率要求不是很高、數(shù)據(jù)量不大、在允許范圍內(nèi)誤碼率的情況下效果很好。在井下現(xiàn)場,監(jiān)測電纜的分布電感(L)和分布電容(C)形成的LC低通濾波器是信號在傳輸過程中所產(chǎn)生的損失主要原因。RS-485總線是數(shù)字信號,無數(shù)的1和0以數(shù)據(jù)包的形式連續(xù)不斷的在總線上傳輸。當(dāng)監(jiān)測總線上遇到0x01等特殊字節(jié)時,低電平“0”使得電纜分布電容充電,這時高電平“1”突然到來,充電積聚電荷在監(jiān)測電纜上短時間無法放出。導(dǎo)致電纜分布電容電壓與高電平形成壓差,信號位變形。解決信號衰減的常規(guī)方法：降低數(shù)據(jù)的傳輸波特率;使用分布電容小的電纜等。

例如在我礦18306工作面監(jiān)測信號異常,出現(xiàn)18306工作面18#分站所有485通訊傳感器信號斷續(xù),最后究其原因是：當(dāng)撤出1500米甲烷傳感器時,沒有把通信線從1000米接線盒處把信號線斷開,使其500米信號線形成LC低通濾波器,導(dǎo)致信號位變形。

2 通信線路中的信號反射

阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配是煤礦井下安全監(jiān)測信號傳輸過程中信號反射的兩種主要原因。阻抗不連續(xù),顧名思義,水流/氣流在均勻的水管中流動時,速度壓力不變,但當(dāng)某處實(shí)然變窄或變寬,那么速度和壓力會相應(yīng)的變大/小和高低。信號在傳輸線末端突然遇到監(jiān)測電纜電阻很小甚至沒有,信號在這個地方就會引起反射。為使得通訊電纜的阻抗連續(xù),需要在通訊線纜的接線柱上并接一個與電纜特性阻抗大小相同的終端電阻來消除阻抗不連續(xù)反射。監(jiān)測信號在環(huán)網(wǎng)中傳輸是半雙工但雙向傳輸,所以環(huán)網(wǎng)上的監(jiān)測電纜兩端的接線端子上都要并接大小相同的中斷電阻。

從理論上分析,在傳輸電纜的接線柱上并接與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻,就再也不會出現(xiàn)信號反射現(xiàn)象。但是,在煤礦井下應(yīng)用中,由于傳輸電纜的特性阻抗由直流電阻和交流電阻組成與通訊波特率、應(yīng)用環(huán)境、線纜特性等相關(guān),特性阻抗不可能與終端電阻完全相等,因此或多或少的信號反射還會存在。引起信號反射的另個原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與井下信號電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射,主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時,整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)異常。

信號反射對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?歸根結(jié)底是因?yàn)榉瓷湫盘栍|發(fā)了接收器輸入端的比較器,使接收器收到了錯誤的信號,導(dǎo)致CRC校驗(yàn)錯誤或整個數(shù)據(jù)幀錯誤。

在信號分析,衡量反射信號強(qiáng)度的參數(shù)是RAF(Refection Attenuation Factor反射衰減因子)。它的計(jì)算公式如式(1)。

式中：Vref—反射信號的電壓大小;Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號的電壓大小。例如,由實(shí)驗(yàn)測得3.0MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V,反射信號的峰-峰值為+0.299V,則該通訊電纜在3.0 M H z的通訊速率時,它的反射衰減因子為：RAF=20lg(0.299/3.0)=-20.02dB

要減弱反射信號對通訊線路的影響,通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在煤礦井下現(xiàn)場應(yīng)用中,我們通常的解決方法是將RS-485總線的A、B線端子加上一定阻值的偏置電阻,分別拉高或拉低,這樣就不會出現(xiàn)不可預(yù)知的雜亂信號了。

3 制定簡單可靠的RS-485通訊協(xié)議

結(jié)合現(xiàn)場故障分析,與廠家配合制定簡單可靠地通訊協(xié)議有效提高監(jiān)測系統(tǒng)通訊的容錯率。礦井開拓布局小距離短,環(huán)境簡單干擾小,應(yīng)用簡單通訊就能實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)測的所有功能,但是隨著礦井的開拓布局不斷擴(kuò)大延伸,機(jī)械變頻設(shè)備不斷增多干擾加劇,簡單的通訊就很難滿足要求。施工前期綜合布線的是否專業(yè),本安或非本安電路與接線端子之間的距離是否滿足小于50mm;高低壓電纜在巷道同一側(cè)時,高低壓電纜是否滿足距離大于0.1m;低壓電纜之間的距離是否滿足不得小于50mm等等。還有井下巷道開采引起通訊線路距離的不可決定性、變頻器等對通訊信號線路周圍干擾程度、通訊線是否采用雙絞屏蔽線等等,這些因素都給系統(tǒng)的正常通訊帶來極大的影響。于是,制定一套完善的通訊協(xié)議就顯得尤為重要了。

安全監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485主從總線進(jìn)行通訊的分層體系結(jié)構(gòu),中心站設(shè)置在監(jiān)測機(jī)房,主從通訊方式實(shí)時巡檢其他分站。由于采用半雙工、時分制通訊方式,需要一套合理的通訊協(xié)議來協(xié)調(diào)總線分時共用。監(jiān)測數(shù)據(jù)在每包的數(shù)據(jù)上加上幀頭和幀尾,并且在幀尾上留一個字節(jié)作為校驗(yàn)字節(jié)對分站和主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)字節(jié)作比較。來判斷主機(jī)發(fā)送的指令時繼續(xù)發(fā)送還是從新發(fā)送。這種從發(fā)機(jī)制可以有效的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還有一個關(guān)鍵因數(shù)就是校驗(yàn)方式的選取,奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)是常用的校驗(yàn)方式,由于奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)比較簡單有偶然性,錯誤數(shù)據(jù)時常上傳。CRC校驗(yàn)計(jì)算稍復(fù)雜,可靠性、穩(wěn)定性,CRC校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論,單片機(jī)常用的C R C算法是,C R CCCITT算法：X16+X12+X5+1。

4 RS485總線傳輸距離

RS485總線支持半雙工或全雙工模式,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脙啥思悠ヅ潆娮璧目偩€型結(jié)構(gòu)。RS485總線帶負(fù)載的多少與通信電纜長度之間的關(guān)系：Ve=0.8Vd-Vl-Vn-Vb

式中：Ve為總線末端信號電壓,在標(biāo)準(zhǔn)測定時規(guī)定為0.2V;Vd為驅(qū)動器輸出電壓,與負(fù)載數(shù)有關(guān),負(fù)載數(shù)在5～32個時Vd=2.4V,負(fù)載數(shù)小于5個時Vd=2.5V,負(fù)載數(shù)大于32個時Vd＜2.3V;Vl為信號在總線傳輸過程中的損耗,與通信電纜的規(guī)格、長度、材質(zhì)以及波特率有關(guān);Vn為噪聲容限,在標(biāo)準(zhǔn)測定時規(guī)定為0.1V;Vb為由偏置電阻提供的偏置電壓,典型值為0.4V。從式中可以看出,Vd的大小與傳輸總線上帶負(fù)載數(shù)的多少成反比,Vl的大小與總線長度成正比,其它參數(shù)只與驅(qū)動器類型有關(guān)。因此,在485總線允許的情況下：傳感器負(fù)載數(shù)越多,485信號傳輸距離越短;傳感器負(fù)載數(shù)越少,485信號傳輸距離越長。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述在技術(shù)革新,煤礦井下現(xiàn)場應(yīng)用時使得RS-485總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)中的可靠性大大提高,滿足了濟(jì)寧三號煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對通訊系統(tǒng)的各項(xiàng)要求, 實(shí)踐證明,RS-485總線以其簡易、經(jīng)濟(jì)、控制方便等特點(diǎn),在我礦包括安全監(jiān)控系統(tǒng)在內(nèi)的各種監(jiān)控系統(tǒng)廣泛采用。經(jīng)過以上改進(jìn),進(jìn)一步提高了安全監(jiān)測系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性,節(jié)省了部分人力、物力。在應(yīng)用上,只要在硬件和軟件方面加以注意,可以取得良好的通訊效果。

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