不定期受控RS485 總線通信方式在煤礦安全監控系統中的應用

邵 嚴

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037）

煤安監函（2016）5 號——國家煤礦安監局關于印發《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》規定：煤礦井下分站到傳感器之間可以采用以太網、RS485 總線等通信方式連接，分站到傳感器必須采用數字化傳輸[1]。目前國內90%以上安全監控系統分站至傳感器都采用RS485[2-5]總線方式實現，該傳輸方式的優點在于1 條通信電纜上可以掛接多個傳感器，節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，整個總線上設備只能有1 個主設備，其他設備都處于被動式應答模式，不能主動發送數據。煤礦井下安全監控系統RS485 總線上都采用分站為主設備，傳感器為從設備，該種模式下，分站實現所有傳感器數據采集，就需要完成多個呼叫應答流程，影響了數據采集與控制響應時間。同時若分站呼叫傳感器數據幀受到干擾，則傳感器無法進行應答，增加了通信過程中受干擾的概率。為了提升分站反應時間、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點接入個數和通信順序，實現傳感器測量數據的主動上傳，使總線通信效率提升1 倍，縮短了系統異常事件響應時間，同時也減小了傳感器被分站誤判斷為“斷線”的概率。

1 設計思路

不定期受控RS485 總線通信方式拓撲圖如圖1，實現該通信方式的設備由分站、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送次序等組成。

圖1 不定期受控RS485 總線并發通信方式拓撲圖Fig.1 Topology diagram of irreqularly controlled RS485 bus concurrent communication

1.1 分站通信模塊

分站重啟后，根據定義信息向總線發送總線設備地址信息控制幀，該數據幀包含接入總線所有傳感器地址信息，然后轉為接收狀態，總線上傳感器收到分站發送的控制幀后在第1 次回發數據時會攜帶接收成功確認信息。當收到所有傳感器確認收到干涉幀數據回復后，分站為減少受干擾概率及縮短占用總線資源，轉為發送心跳幀模式。若存在未回復確認的傳感器，分站繼續發送地址干涉幀數據幀，連續下發3 個周期若仍有回復的傳感器，則判定該傳為回復傳感器為斷線狀態，分站進入心跳模式。分站默認地址號為0，在所有總線設備中發送數據次序最靠前。所有傳感器數據接收完成，分站重新判斷總線上傳感器數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算總線設備地址信息控制幀進行下一個周期。傳感器運行過程中會因為電源、人員等因素造成重啟或更換新傳感器，此時傳感器通過發送請求注冊命令來獲取是否可以接入總線，發送次序等信息。當最后1 個傳感器數據接收完畢后總線會有20 ms 時間空窗期，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備地址信息控制幀中，分站重新發送總線設備地址信息控制幀用于新接入傳感器確定發送序列。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

分站發送的總線設備地址信息控制幀和心跳幀中都有1 個字節用來表示控制口執行信息，該字節0～7 位分別對應分站1～8 控制口，該位置1，則對應控制口斷開，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，傳感器回發數據幀長為11 個字節，上傳1 幀完整的數據幀大概需要50 ms，傳感器將自己的地址號與接收到分站發送的總線設備地址信息控制幀對比，確定自己的發送次序，若未找到本機地址信息，則按新接入傳感器處理。每次傳感器接收完分站下發數據最后1 個字節后定時器清0，若傳感器發送次序為n，則在定時器計時至n×50 ms 后主動上傳數據。傳感器通信流程如圖3。數據發送完成后，返回數據接收，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

傳感器開機自檢過后，監聽總線數據，若未接收到分站發送的總線設備地址信息控制幀或心跳幀，則一直處于接收狀態。若總線上存在分站心跳幀數據，監聽分析總線上已有傳感器發送次序，在發送次序為最后的傳感器發送完數據后延時10 ms 向總線發送請求注冊幀，然后轉為接收模式，直至接收到分站發出總線設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 協議解析

分站的主要功能是發送總線設備地址信息控制幀或心跳幀。

1）分站地址幀協議。由于RS485 總線數據的起始位的不穩定性[7-9]，保證每幀數據的完整、正確，每幀數據前3 個字節數據為引導符AA、AA、AA，接收者接到大于2 個字節的AA 算有效。分站地址幀數據協議表見表1。分站心跳幀數據命令字為AE，與分站地址幀數據協議相比不包含傳感器地址信息，其他字節相同。

表1 分站地址幀數據協議表Table 1 Protocol table for data of substation address frames

2）傳感器數據幀協議。傳感器的功能在于檢測現場環境數據、根據地址幀計算路徑主動發送數據。傳感器數據協議表見表2。

表2 傳感器數據協議表Table 2 Protocol table for sensor data

3 測 試

實驗室測試設備連接圖如圖4。

圖4 測試設備連接圖Fig.4 Connection diagram of test equipment

16 號分站采用不定期受控RS485 總線通信方式實現總線上傳感器主動發送數據，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。上位機定義61 號傳感器超限（瓦斯濃度大于1.5%）時分站控制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。上位機定義70 號傳感器超限（瓦斯濃度大于1.5%）時分站控制5 號控制口斷電儀斷電。

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

從該試驗數據可以看出，基于不定期受控RS485 總線通信方式實現傳感器數據主動上傳的16 號分站斷電響應時間約為1 s 左右，基于傳統RS485 總線“主-從”通信模式的18 號分站斷電響應時間約為1.8 s 左右，前者比后者控制響應時間快了1 倍。

表3 斷電時間記錄表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 總線通信方式實現傳感器數據主動上傳。多次現場測試，均能在1 s 左右實現斷電，遠小于標準要求的2 s 時間[10]。由于實現了主動上傳，報表統計中顯示傳感器斷線故障統計比之前減少了60%，效果明顯。

4 結 語

設計一種不定期受控RS485 總線通信方法。通過分站不定期發送總線設備地址信息控制幀主動干涉總線，傳感器通過將自身通信地址與總線設備地址信息數據比對，確定上傳數據次序，實現主動向總線發送數據。由實驗室測試以及現場工業試驗可以看出：采用不定期受控RS485 總線通信方式后，系統總線通信時間得到大幅提升，總線上傳感器之間可以互相適時通信，實現預期實現目的。