基于RS-485總線在煤礦井下通訊故障的探究

錢春震 王棟

(兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦,山東濟寧 272100)

基于RS-485總線在煤礦井下通訊故障的探究

錢春震 王棟

(兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦,山東濟寧 272100)

介紹了RS- 485 總線的特點及其在煤礦安全監控系統中的應用, 著重闡述了影響RS- 485總線通訊速度和穩定性的原因,并從硬件和軟件方面提出了解決方案, 以及在施工設計RS- 485 總線時的一些重要細節。

RS- 485總線 通訊協議 信號反射

濟寧三號煤礦安全監測系統使用為天地(常州)自動化股份有限公司生產的KJ95N煤礦監測監控系統,該系統于2011年7月正式投入運行。系統采用實時的網絡化拓撲結構,具備完善的安全監測、生產監控、管理等功能,可對全礦井上、下環境參數及全礦各主要生產環節的生產過程,進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、打印等功能,并可方便地與礦計算機網絡聯網,以實現資源共享,形成全礦井的監測信息管理中心,并可以與公司進行網間互聯,以實現監測數據實時地傳到集團公司。

由于煤礦井下空間小,采煤機、輸送機等大型設備啟停等造成電磁干擾嚴重,環境惡劣。對影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的幾個因素進行總結：

我礦安全監測系統安裝時,由安全儀器監測工專職負責,持證上崗,監測線單獨鋪設,杜絕與交流線纜、鎧裝電纜等動力電纜敷設在同一電纜掛鉤上。監測線盡量盡量與信號較強(如喊話器信號線)信號線正交,避免平行,消除電磁耦合。在我礦安全監測系統環網上所用監測線全部采用帶有屏蔽層的監測線,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。

在井下安全監測系統RS-485總線環網上,有一個安全監測系統分站出現通訊故障,就可能導致整個井下環網的通訊故障。好幾十千米的環網上排除故障很是困難。我礦出現幾次這種問題后,經過技術人員分析論證,原來是監測系統子站節點失效后網絡被鎖死,在總線上485信號電平模糊,使得這個子站節點一直掌握著控制權,環網總線一直處于忙碌狀態,不能正常收發子站節點信息。解決方法：在KTG2A設備上添加上拉、下拉電阻。消除子站節點對總線的干擾,采用添加PTC電阻的方法。

1 傳輸線分布參數對信號的衰減

在電路理論中,所研究的線性無源網絡都是由電阻(R)、電容(C)和電感(L)組成的集中參數網絡。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、電阻和絕緣電導存在。因此,傳輸線又稱為分布參數網絡。

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電材料的電阻率、導線截面積、長度、溫度有關,并與導線截面積成反比,與導線的電阻率成正比,與溫度成正比關系。交流電阻R1主要由集膚效應和鄰近效應產生。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、數據量不大、在允許范圍內誤碼率的情況下效果很好。在井下現場,監測電纜的分布電感(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生的損失主要原因。RS-485總線是數字信號,無數的1和0以數據包的形式連續不斷的在總線上傳輸。當監測總線上遇到0x01等特殊字節時,低電平“0”使得電纜分布電容充電,這時高電平“1”突然到來,充電積聚電荷在監測電纜上短時間無法放出。導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方法：降低數據的傳輸波特率;使用分布電容小的電纜等。

例如在我礦18306工作面監測信號異常,出現18306工作面18#分站所有485通訊傳感器信號斷續,最后究其原因是：當撤出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,導致信號位變形。

2 通信線路中的信號反射

阻抗不連續和阻抗不匹配是煤礦井下安全監測信號傳輸過程中信號反射的兩種主要原因。阻抗不連續,顧名思義,水流/氣流在均勻的水管中流動時,速度壓力不變,但當某處實然變窄或變寬,那么速度和壓力會相應的變大/小和高低。信號在傳輸線末端突然遇到監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,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反射。監測信號在環網中傳輸是半雙工但雙向傳輸,所以環網上的監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,就再也不會出現信號反射現象。但是,在煤礦井下應用中,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、應用環境、線纜特性等相關,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據收發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,主要表現在通訊線路處在空閑方式時,整個網絡數據異常。

信號反射對數據傳輸的影響,歸根結底是因為反射信號觸發了接收器輸入端的比較器,使接收器收到了錯誤的信號,導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤。

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

式中：Vref—反射信號的電壓大小;Vinc—在電纜與收發器或終端電阻連接點的入射信號的電壓大小。例如,由實驗測得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。在煤礦井下現場應用中,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,這樣就不會出現不可預知的雜亂信號了。

3 制定簡單可靠的RS-485通訊協議

結合現場故障分析,與廠家配合制定簡單可靠地通訊協議有效提高監測系統通訊的容錯率。礦井開拓布局小距離短,環境簡單干擾小,應用簡單通訊就能實現井下安全監測的所有功能,但是隨著礦井的開拓布局不斷擴大延伸,機械變頻設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,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,這些因素都給系統的正常通訊帶來極大的影響。于是,制定一套完善的通訊協議就顯得尤為重要了。

安全監測系統采用RS-485主從總線進行通訊的分層體系結構,中心站設置在監測機房,主從通訊方式實時巡檢其他分站。由于采用半雙工、時分制通訊方式,需要一套合理的通訊協議來協調總線分時共用。監測數據在每包的數據上加上幀頭和幀尾,并且在幀尾上留一個字節作為校驗字節對分站和主機發送的數據包的校驗字節作比較。來判斷主機發送的指令時繼續發送還是從新發送。這種從發機制可以有效的提高數據傳輸的誤碼率。數據的準確性還有一個關鍵因數就是校驗方式的選取,奇偶校驗、和校驗、CRC校驗是常用的校驗方式,由于奇偶校驗、和校驗比較簡單有偶然性,錯誤數據時常上傳。CRC校驗計算稍復雜,可靠性、穩定性,CRC校驗的基本思想是利用線性編碼理論,單片機常用的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,網絡拓撲采用兩端加匹配電阻的總線型結構。RS485總線帶負載的多少與通信電纜長度之間的關系：Ve=0.8Vd-Vl-Vn-Vb

式中：Ve為總線末端信號電壓,在標準測定時規定為0.2V;Vd為驅動器輸出電壓,與負載數有關,負載數在5～32個時Vd=2.4V,負載數小于5個時Vd=2.5V,負載數大于32個時Vd＜2.3V;Vl為信號在總線傳輸過程中的損耗,與通信電纜的規格、長度、材質以及波特率有關;Vn為噪聲容限,在標準測定時規定為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載數的多少成反比,Vl的大小與總線長度成正比,其它參數只與驅動器類型有關。因此,在485總線允許的情況下：傳感器負載數越多,485信號傳輸距離越短;傳感器負載數越少,485信號傳輸距離越長。

5 結語

經過上述在技術革新,煤礦井下現場應用時使得RS-485總線在安全監控系統中的可靠性大大提高,滿足了濟寧三號煤礦監控系統對通訊系統的各項要求, 實踐證明,RS-485總線以其簡易、經濟、控制方便等特點,在我礦包括安全監控系統在內的各種監控系統廣泛采用。經過以上改進,進一步提高了安全監測系統通訊的穩定性,節省了部分人力、物力。在應用上,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。

[1]郭文加.RS-485收發器及組網中的有關問題[J].電子技術應用,1998.(1).

[2]林雪峰,劉勝,李柏均.RS-485總線在煤礦安全監控系統應用中的可靠性設計[J].礦業安全與環保,2006.(6).

[3]閻顯勇,宋建成.基于RS485接口的煤礦井下通信總線的研究[J].工況自動化,2007.(6).