不定期受控RS485 总线通信方式在煤矿安全监控系统中的应用_邵严.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 不定期受控 RS485 总线通信方式在煤矿安全 监控系统中的应用 邵严 1,2 （1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 针对煤矿井下安全监控系统分站至传感器之间 RS485 总线通信采用呼叫、 应答模式导 致的通信效率低、 易受干扰的问题， 设计一种不定期受控 RS485 总线通信方法。 通过分站不定期 发送总线设备地址信息控制帧主动干涉总线， 传感器通过将自身通信地址与总线设备地址信息 数据比对， 确定上传数据次序， 实现主动向总线发送数据。提高了分站对传感器测量数据的采集 效率， 缩短了系统反应时间。 实验室测试以及现场工业试验表明 该通信方式可保证 RS485 总线 通信快速、 稳定。 关键词 煤矿安全监控系统； RS485 总线； 总线通信； 主动上传； 地址信息控制帧 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0117-04 Application of Communication Mode of Irregularly Controlled RS485 Bus in Monitoring System for Coal Mine Safety SHAO Yan1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China） Abstract To solve the problems such as low communication efficiency and susceptibility to interference caused by the RS485 bus communication between the substation and sensors of monitoring system for coal mine safety through the mode of call and answer, the communication of irregularly controlled RS485 bus is designed. The substation sends the control frame of bus device address ination to actively interfere with the bus. The sensors compare their communication address with the bus device address ination and determine the order of uploading data, so as to actively send data to the bus. Therefore, the acquisition efficiency of the sensor measurement data of the substation is improved, and the system response time is shortened. Laboratory tests and field industrial experiments show that this communication can ensure fast and stable RS485 bus communication. Key words coal mine safety monitoring system; RS485 bus; bus communication; active upload; address ination control frame 煤安监函 （2016） 5 号国家煤矿安监局关于 印发 煤矿安全监控系统升级改造技术方案 规定 煤矿井下分站到传感器之间可以采用以太网、 RS485 总线等通信方式连接，分站到传感器必须采 用数字化传输[1]。目前国内 90以上安全监控系统 分站至传感器都采用 RS485[2-5]总线方式实现， 该传 输方式的优点在于 1 条通信电缆上可以挂接多个传 感器，节约了通信电缆使用量以及施工成本。但由 于 RS485 总线通信模式为主从通信模式， 整个总线 上设备只能有 1 个主设备，其他设备都处于被动式 应答模式，不能主动发送数据。煤矿井下安全监控 系统 RS485 总线上都采用分站为主设备， 传感器为 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.024 邵严．不定期受控 RS485 总线通信方式在煤矿安全监控系统中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （7） 117-120. SHAO Yan. Application of Communication Mode of Irregularly Controlled RS485 Bus in Monitoring System for Coal Mine Safety ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 117-120. 基 金 项 目 重 庆 市 技 术 创 新 与 应 用 示 范 资 助 项 目 （cstc2018jscx- msybX0192） ； 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2016YFC0801405） ；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立创新 引导科研资助项目 （CQ1906） 移动扫码阅读 117 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 从设备，该种模式下，分站实现所有传感器数据采 集，就需要完成多个呼叫应答流程，影响了数据采 集与控制响应时间。同时若分站呼叫传感器数据帧 受到干扰，则传感器无法进行应答，增加了通信过 程中受干扰的概率。为了提升分站反应时间、加快 分站采集传感器速度，提出了一种不定期受控 RS485 总线通信方式, 分站通过控制总线传感器节 点接入个数和通信顺序，实现传感器测量数据的主 动上传， 使总线通信效率提升 1 倍， 缩短了系统异常 事件响应时间，同时也减小了传感器被分站误判断 为 “断线” 的概率。 1设计思路 不定期受控 RS485 总线通信方式拓扑图如图 1， 实现该通信方式的设备由分站、 传感器组成。通 信流程模块主要包含了分站通信模块、传感器通信 模块以及总线发送次序等组成。 1.1分站通信模块 分站重启后，根据定义信息向总线发送总线设 备地址信息控制帧，该数据帧包含接入总线所有传 感器地址信息，然后转为接收状态，总线上传感器 收到分站发送的控制帧后在第 1 次回发数据时会携 带接收成功确认信息。当收到所有传感器确认收到 干涉帧数据回复后，分站为减少受干扰概率及缩短 占用总线资源，转为发送心跳帧模式。若存在未回 复确认的传感器，分站继续发送地址干涉帧数据 帧， 连续下发 3 个周期若仍有回复的传感器， 则判定 该传为回复传感器为断线状态，分站进入心跳模 式。 分站默认地址号为 0， 在所有总线设备中发送数 据次序最靠前。所有传感器数据接收完成，分站重 新判断总线上传感器数量和传感器地址是否有变 化，若有变化，退出心跳模式重新计算总线设备地 址信息控制帧进行下一个周期。传感器运行过程中 会因为电源、人员等因素造成重启或更换新传感 器，此时传感器通过发送请求注册命令来获取是否 可以接入总线，发送次序等信息。当最后 1 个传感 器数据接收完毕后总线会有 20 ms 时间空窗期， 用 来判断是否有传感器请求注册。若注册传感器地址 信息包含在总线设备地址信息控制帧中，分站重新 发送总线设备地址信息控制帧用于新接入传感器确 定发送序列。分站通信流程如图 2。 分站发送的总线设备地址信息控制帧和心跳帧 中都有 1 个字节用来表示控制口执行信息，该字节 0～7 位分别对应分站 1～8 控制口， 该位置 1， 则对应 控制口断开， 相反则闭合[6]。 1.2传感器通信流程 总线通信波特率为 2 400 bps， 传感器回发数据 帧长为 11 个字节， 上传 1 帧完整的数据帧大概需要 50 ms， 传感器将自己的地址号与接收到分站发送的 总线设备地址信息控制帧对比，确定自己的发送次 序，若未找到本机地址信息，则按新接入传感器处 理。每次传感器接收完分站下发数据最后 1 个字节 后定时器清 0， 若传感器发送次序为 n， 则在定时器 计时至 n50 ms 后主动上传数据。传感器通信流程 如图 3。数据发送完成后， 返回数据接收， 传感器完 成 1 次通信流程。 1.3传感器请求接入注册 传感器开机自检过后， 监听总线数据， 若未接收 到分站发送的总线设备地址信息控制帧或心跳帧， 则一直处于接收状态。若总线上存在分站心跳帧数 图 1不定期受控 RS485 总线并发通信方式拓扑图 Fig.1Topology diagram of irreqularly controlled RS485 bus concurrent communication 图 2分站通信流程图 Fig.2Flow chart of substation communication 118 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 据，监听分析总线上已有传感器发送次序，在发送 次序为最后的传感器发送完数据后延时 10 ms 向总 线发送请求注册帧，然后转为接收模式，直至接收 到分站发出总线设备地址信息控制帧并且地址信息 里面包含与自己地址号相同的信息。 2协议解析 分站的主要功能是发送总线设备地址信息控制 帧或心跳帧。 1） 分站地址帧协议。由于 RS485 总线数据的起 始位的不稳定性[7-9]， 保证每帧数据的完整、 正确， 每 帧数据前 3 个字节数据为引导符 AA、 AA、 AA， 接收 者接到大于 2 个字节的 AA 算有效。分站地址帧数 据协议表见表 1。分站心跳帧数据命令字为 AE， 与 分站地址帧数据协议相比不包含传感器地址信息， 其他字节相同。 2） 传感器数据帧协议。传感器的功能在于检测 现场环境数据、 根据地址帧计算路径主动发送数据。 传感器数据协议表见表 2。 3测试 实验室测试设备连接图如图 4。 16 号分站采用不定期受控 RS485 总线通信方 式实现总线上传感器主动发送数据，该分站下其中 1 条 RS485 总线挂接 4 台传感器和 1 台断电仪， 传 感器地址分别为 61 号、 62 号、 63 号、 64 号, 其中 61 号传感器为甲烷传感器， 断电仪控制口地址为 3。 上 位机定义 61 号传感器超限 （瓦斯浓度大于 1.5） 时 分站控制 3 号控制口断电仪断电。 18 号分站 RS485 总线均采用传统的 “主-从” 通 信模式。该分站下其中 1 条 RS485 总线挂接 4 台传 感器和 1 台断电仪，传感器地址分别为 69 号、 70 号、 71 号、 72 号， 其中 70 号传感器为甲烷传感器， 断 电仪控制口地址为 5。上位机定义 70 号传感器超限 （瓦斯浓度大于 1.5） 时分站控制 5 号控制口断电 仪断电。 对 61 号、 70 号传感器分别充标气使其达到超 限值， 利用电脑相关抓包软件、 示波器、 秒表记录从 传感器检测超限到断电仪断开时间，断电时间记录 表见表 3。 从该试验数据可以看出，基于不定期受控 4 5 6～9 10 11 XX AC XX XX XX 传感器地址 数据命令 浮点字节数 数据校验低位 数据校验高位 传感器地址 发送数据命令字 传感器采集数据 4～9 字节数据 CRC 校验 序号数据定义备注 表 2传感器数据协议表 Table 2Protocol table for sensor data 图 4测试设备连接图 Fig.4Connection diagram of test equipment 图 3传感器通信流程图 Fig.3Flow chart of transducer communication 4 5 6～9 10 11 12 AF XX XX AE XX XX 地址帧命令 总线上设备数量 传感器地址 控制命令字 数据校验低位 数据校验高位 命令字 接入总线传感器总数 接入总线传感器地址，次序按 传感器号由低至高排序 0～7 位表示分站 1～8 号控制口 4～10 字节数据 CRC 校验 序号数据定义备注 表 1分站地址帧数据协议表 Table 1Protocol table for data of substation address frames 119 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 RS485 总线通信方式实现传感器数据主动上传的 16 号分站断电响应时间约为 1 s 左右，基于传统 RS485 总线 “主-从” 通信模式的 18 号分站断电响应 时间约为 1.8 s 左右，前者比后者控制响应时间快 了 1 倍。 目前松藻煤电公司榆阳煤矿、 石壕煤矿、 打通一 矿井下所有分站均采用不定期受控 RS485 总线通 信方式实现传感器数据主动上传。多次现场测试， 均能在 1 s 左右实现断电， 远小于标准要求的 2 s 时 间[10]。由于实现了主动上传， 报表统计中显示传感 器断线故障统计比之前减少了 60， 效果明显。 4结语 设计一种不定期受控 RS485 总线通信方法。通 过分站不定期发送总线设备地址信息控制帧主动干 涉总线，传感器通过将自身通信地址与总线设备地 址信息数据比对，确定上传数据次序，实现主动向 总线发送数据。由实验室测试以及现场工业试验可 以看出采用不定期受控 RS485 总线通信方式后， 系统总线通信时间得到大幅提升，总线上传感器之 间可以互相适时通信， 实现预期实现目的。 参考文献 ［1］ 煤安监函 （2016） 5 号 煤矿安全监控系统升级改造技 术方案 ［A］ . ［2］ 张涛.煤矿井下安全监控分站的设计及其仿真实现 ［J］ .计算机测量与控制， 2015， 23 （1） 86-89. ［3］ 汝彦冬.新型井下监控分站的设计 ［J］ .自动化仪表, 2010， 31 （6） 64-66. ［4］ 何青松， 孙中光.基于 RS485 串口通信的控制执行时 间测试方法 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （8） 114-116. ［5］ 阎显勇， 宋建成.基于 RS485 接口的煤矿井下通信总 线的研究 ［J］ .工矿自动化， 2007 （3） 77-79. ［6］ 李剑峰.瓦斯超限交叉断电控制技术的研究与应用 ［J］ .煤矿机械， 2011 （12） 160. ［7］ 赵光绪. 一种基于RS485 总线的可靠握手协议设计 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （6） 98-100. ［8］ 孙立新， 孙华.简单方法解决变电站 RS485 总线通信 中断问题 ［J］ .电世界， 2018 （11） 21-22. ［9］ 彭刚， 徐庆江， 张崇金， 等.基于 STM32 单片机的 RS485 总线分布式数据采集系统设计 ［J］ .伺服控制， 2011 （2） 64-67. ［10］ AQ 62012019 煤矿安全监控系统通用技术要求 ［S］ . 作者简介 邵严 （1985） ， 陕西西安人， 助理研究员， 硕士， 2012 年毕业于长安大学，主要从事煤矿安全监控系 统仪器设备的研发工作。 （收稿日期 2020-01-03； 责任编辑 李力欣） 分站 16 16 16 18 18 18 超限时刻断电时刻响应时间/s 91032144 91521821 92017707 101029077 101913652 102606126 91033114 91522756 92018717 101030932 101915492 102608046 0.970 0.935 1.005 1.855 1.840 1.920 表 3断电时间记录表 Table 3Record of power-off time 120 ChaoXing