不定期受控RS485 總線通信方式在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

邵 嚴(yán)

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

煤安監(jiān)函（2016）5 號——國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》規(guī)定：煤礦井下分站到傳感器之間可以采用以太網(wǎng)、RS485 總線等通信方式連接，分站到傳感器必須采用數(shù)字化傳輸[1]。目前國內(nèi)90%以上安全監(jiān)控系統(tǒng)分站至傳感器都采用RS485[2-5]總線方式實(shí)現(xiàn)，該傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于1 條通信電纜上可以掛接多個(gè)傳感器，節(jié)約了通信電纜使用量以及施工成本。但由于RS485 總線通信模式為主從通信模式，整個(gè)總線上設(shè)備只能有1 個(gè)主設(shè)備，其他設(shè)備都處于被動(dòng)式應(yīng)答模式，不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)RS485 總線上都采用分站為主設(shè)備，傳感器為從設(shè)備，該種模式下，分站實(shí)現(xiàn)所有傳感器數(shù)據(jù)采集，就需要完成多個(gè)呼叫應(yīng)答流程，影響了數(shù)據(jù)采集與控制響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)若分站呼叫傳感器數(shù)據(jù)幀受到干擾，則傳感器無法進(jìn)行應(yīng)答，增加了通信過程中受干擾的概率。為了提升分站反應(yīng)時(shí)間、加快分站采集傳感器速度，提出了一種不定期受控RS485 總線通信方式, 分站通過控制總線傳感器節(jié)點(diǎn)接入個(gè)數(shù)和通信順序，實(shí)現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)的主動(dòng)上傳，使總線通信效率提升1 倍，縮短了系統(tǒng)異常事件響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也減小了傳感器被分站誤判斷為“斷線”的概率。

1 設(shè)計(jì)思路

不定期受控RS485 總線通信方式拓?fù)鋱D如圖1，實(shí)現(xiàn)該通信方式的設(shè)備由分站、傳感器組成。通信流程模塊主要包含了分站通信模塊、傳感器通信模塊以及總線發(fā)送次序等組成。

圖1 不定期受控RS485 總線并發(fā)通信方式拓?fù)鋱DFig.1 Topology diagram of irreqularly controlled RS485 bus concurrent communication

1.1 分站通信模塊

分站重啟后，根據(jù)定義信息向總線發(fā)送總線設(shè)備地址信息控制幀，該數(shù)據(jù)幀包含接入總線所有傳感器地址信息，然后轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，總線上傳感器收到分站發(fā)送的控制幀后在第1 次回發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)攜帶接收成功確認(rèn)信息。當(dāng)收到所有傳感器確認(rèn)收到干涉幀數(shù)據(jù)回復(fù)后，分站為減少受干擾概率及縮短占用總線資源，轉(zhuǎn)為發(fā)送心跳幀模式。若存在未回復(fù)確認(rèn)的傳感器，分站繼續(xù)發(fā)送地址干涉幀數(shù)據(jù)幀，連續(xù)下發(fā)3 個(gè)周期若仍有回復(fù)的傳感器，則判定該傳為回復(fù)傳感器為斷線狀態(tài)，分站進(jìn)入心跳模式。分站默認(rèn)地址號為0，在所有總線設(shè)備中發(fā)送數(shù)據(jù)次序最靠前。所有傳感器數(shù)據(jù)接收完成，分站重新判斷總線上傳感器數(shù)量和傳感器地址是否有變化，若有變化，退出心跳模式重新計(jì)算總線設(shè)備地址信息控制幀進(jìn)行下一個(gè)周期。傳感器運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)殡娫?、人員等因素造成重啟或更換新傳感器，此時(shí)傳感器通過發(fā)送請求注冊命令來獲取是否可以接入總線，發(fā)送次序等信息。當(dāng)最后1 個(gè)傳感器數(shù)據(jù)接收完畢后總線會(huì)有20 ms 時(shí)間空窗期，用來判斷是否有傳感器請求注冊。若注冊傳感器地址信息包含在總線設(shè)備地址信息控制幀中，分站重新發(fā)送總線設(shè)備地址信息控制幀用于新接入傳感器確定發(fā)送序列。分站通信流程如圖2。

圖2 分站通信流程圖Fig.2 Flow chart of substation communication

分站發(fā)送的總線設(shè)備地址信息控制幀和心跳幀中都有1 個(gè)字節(jié)用來表示控制口執(zhí)行信息，該字節(jié)0～7 位分別對應(yīng)分站1～8 控制口，該位置1，則對應(yīng)控制口斷開，相反則閉合[6]。

1.2 傳感器通信流程

總線通信波特率為2 400 bps，傳感器回發(fā)數(shù)據(jù)幀長為11 個(gè)字節(jié)，上傳1 幀完整的數(shù)據(jù)幀大概需要50 ms，傳感器將自己的地址號與接收到分站發(fā)送的總線設(shè)備地址信息控制幀對比，確定自己的發(fā)送次序，若未找到本機(jī)地址信息，則按新接入傳感器處理。每次傳感器接收完分站下發(fā)數(shù)據(jù)最后1 個(gè)字節(jié)后定時(shí)器清0，若傳感器發(fā)送次序?yàn)閚，則在定時(shí)器計(jì)時(shí)至n×50 ms 后主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)。傳感器通信流程如圖3。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，返回?cái)?shù)據(jù)接收，傳感器完成1 次通信流程。

1.3 傳感器請求接入注冊

圖3 傳感器通信流程圖Fig.3 Flow chart of transducer communication

傳感器開機(jī)自檢過后，監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)，若未接收到分站發(fā)送的總線設(shè)備地址信息控制幀或心跳幀，則一直處于接收狀態(tài)。若總線上存在分站心跳幀數(shù)據(jù)，監(jiān)聽分析總線上已有傳感器發(fā)送次序，在發(fā)送次序?yàn)樽詈蟮膫鞲衅靼l(fā)送完數(shù)據(jù)后延時(shí)10 ms 向總線發(fā)送請求注冊幀，然后轉(zhuǎn)為接收模式，直至接收到分站發(fā)出總線設(shè)備地址信息控制幀并且地址信息里面包含與自己地址號相同的信息。

2 協(xié)議解析

分站的主要功能是發(fā)送總線設(shè)備地址信息控制幀或心跳幀。

1）分站地址幀協(xié)議。由于RS485 總線數(shù)據(jù)的起始位的不穩(wěn)定性[7-9]，保證每幀數(shù)據(jù)的完整、正確，每幀數(shù)據(jù)前3 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為引導(dǎo)符AA、AA、AA，接收者接到大于2 個(gè)字節(jié)的AA 算有效。分站地址幀數(shù)據(jù)協(xié)議表見表1。分站心跳幀數(shù)據(jù)命令字為AE，與分站地址幀數(shù)據(jù)協(xié)議相比不包含傳感器地址信息，其他字節(jié)相同。

表1 分站地址幀數(shù)據(jù)協(xié)議表Table 1 Protocol table for data of substation address frames

2）傳感器數(shù)據(jù)幀協(xié)議。傳感器的功能在于檢測現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、根據(jù)地址幀計(jì)算路徑主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議表見表2。

表2 傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議表Table 2 Protocol table for sensor data

3 測 試

實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備連接圖如圖4。

圖4 測試設(shè)備連接圖Fig.4 Connection diagram of test equipment

16 號分站采用不定期受控RS485 總線通信方式實(shí)現(xiàn)總線上傳感器主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，該分站下其中1 條RS485 總線掛接4 臺傳感器和1 臺斷電儀，傳感器地址分別為61 號、62 號、63 號、64 號, 其中61號傳感器為甲烷傳感器，斷電儀控制口地址為3。上位機(jī)定義61 號傳感器超限（瓦斯?jié)舛却笥?.5%）時(shí)分站控制3 號控制口斷電儀斷電。

18 號分站RS485 總線均采用傳統(tǒng)的“主-從”通信模式。該分站下其中1 條RS485 總線掛接4 臺傳感器和1 臺斷電儀，傳感器地址分別為69 號、70號、71 號、72 號，其中70 號傳感器為甲烷傳感器，斷電儀控制口地址為5。上位機(jī)定義70 號傳感器超限（瓦斯?jié)舛却笥?.5%）時(shí)分站控制5 號控制口斷電儀斷電。

對61 號、70 號傳感器分別充標(biāo)氣使其達(dá)到超限值，利用電腦相關(guān)抓包軟件、示波器、秒表記錄從傳感器檢測超限到斷電儀斷開時(shí)間，斷電時(shí)間記錄表見表3。

從該試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，基于不定期受控RS485 總線通信方式實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳的16 號分站斷電響應(yīng)時(shí)間約為1 s 左右，基于傳統(tǒng)RS485 總線“主-從”通信模式的18 號分站斷電響應(yīng)時(shí)間約為1.8 s 左右，前者比后者控制響應(yīng)時(shí)間快了1 倍。

表3 斷電時(shí)間記錄表Table 3 Record of power-off time

目前松藻煤電公司榆陽煤礦、石壕煤礦、打通一礦井下所有分站均采用不定期受控RS485 總線通信方式實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳。多次現(xiàn)場測試，均能在1 s 左右實(shí)現(xiàn)斷電，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的2 s 時(shí)間[10]。由于實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)上傳，報(bào)表統(tǒng)計(jì)中顯示傳感器斷線故障統(tǒng)計(jì)比之前減少了60%，效果明顯。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)一種不定期受控RS485 總線通信方法。通過分站不定期發(fā)送總線設(shè)備地址信息控制幀主動(dòng)干涉總線，傳感器通過將自身通信地址與總線設(shè)備地址信息數(shù)據(jù)比對，確定上傳數(shù)據(jù)次序，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。由實(shí)驗(yàn)室測試以及現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)可以看出：采用不定期受控RS485 總線通信方式后，系統(tǒng)總線通信時(shí)間得到大幅提升，總線上傳感器之間可以互相適時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)預(yù)期實(shí)現(xiàn)目的。