钱春震 王栋
(兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东济宁 272100)
基于RS-485总线在煤矿井下通讯故障的探究
钱春震 王栋
(兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿,山东济宁 272100)
介绍了RS- 485 总线的特点及其在煤矿安全监控系统中的应用, 着重阐述了影响RS- 485总线通讯速度和稳定性的原因,并从硬件和软件方面提出了解决方案, 以及在施工设计RS- 485 总线时的一些重要细节。
RS- 485总线 通讯协议 信号反射
济宁三号煤矿安全监测系统使用为天地(常州)自动化股份有限公司生产的KJ95N煤矿监测监控系统,该系统于2011年7月正式投入运行。系统采用实时的网络化拓扑结构,具备完善的安全监测、生产监控、管理等功能,可对全矿井上、下环境参数及全矿各主要生产环节的生产过程,进行实时数据采集、传输、处理、显示、打印等功能,并可方便地与矿计算机网络联网,以实现资源共享,形成全矿井的监测信息管理中心,并可以与公司进行网间互联,以实现监测数据实时地传到集团公司。
由于煤矿井下空间小,采煤机、输送机等大型设备启停等造成电磁干扰严重,环境恶劣。对影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的几个因素进行总结：
我矿安全监测系统安装时,由安全仪器监测工专职负责,持证上岗,监测线单独铺设,杜绝与交流线缆、铠装电缆等动力电缆敷设在同一电缆挂钩上。监测线尽量尽量与信号较强(如喊话器信号线)信号线正交,避免平行,消除电磁耦合。在我矿安全监测系统环网上所用监测线全部采用带有屏蔽层的监测线,并且将屏蔽层接地,有效降低了信号的误码率,屏蔽了干扰信号。
在井下安全监测系统RS-485总线环网上,有一个安全监测系统分站出现通讯故障,就可能导致整个井下环网的通讯故障。好几十千米的环网上排除故障很是困难。我矿出现几次这种问题后,经过技术人员分析论证,原来是监测系统子站节点失效后网络被锁死,在总线上485信号电平模糊,使得这个子站节点一直掌握着控制权,环网总线一直处于忙碌状态,不能正常收发子站节点信息。解决方法：在KTG2A设备上添加上拉、下拉电阻。消除子站节点对总线的干扰,采用添加PTC电阻的方法。
1 传输线分布参数对信号的衰减
在电路理论中,所研究的线性无源网络都是由电阻(R)、电容(C)和电感(L)组成的集中参数网络。不难理解,信号传输线的任意长度的任意长度的任意一段上,都有电感、电容、电阻和绝缘电导存在。因此,传输线又称为分布参数网络。
传输线的电阻R由直流电阻R0和交流电阻R1组成,即R=R0+R1
直流电阻R0的大小与传输线所采用的金属导电材料的电阻率、导线截面积、长度、温度有关,并与导线截面积成反比,与导线的电阻率成正比,与温度成正比关系。交流电阻R1主要由集肤效应和邻近效应产生。交流电阻的大小随频率的增大而增大。我矿采用9600bps的波特率,在传输速率要求不是很高、数据量不大、在允许范围内误码率的情况下效果很好。在井下现场,监测电缆的分布电感(L)和分布电容(C)形成的LC低通滤波器是信号在传输过程中所产生的损失主要原因。RS-485总线是数字信号,无数的1和0以数据包的形式连续不断的在总线上传输。当监测总线上遇到0x01等特殊字节时,低电平“0”使得电缆分布电容充电,这时高电平“1”突然到来,充电积聚电荷在监测电缆上短时间无法放出。导致电缆分布电容电压与高电平形成压差,信号位变形。解决信号衰减的常规方法：降低数据的传输波特率;使用分布电容小的电缆等。
例如在我矿18306工作面监测信号异常,出现18306工作面18#分站所有485通讯传感器信号断续,最后究其原因是：当撤出1500米甲烷传感器时,没有把通信线从1000米接线盒处把信号线断开,使其500米信号线形成LC低通滤波器,导致信号位变形。
2 通信线路中的信号反射
阻抗不连续和阻抗不匹配是煤矿井下安全监测信号传输过程中信号反射的两种主要原因。阻抗不连续,顾名思义,水流/气流在均匀的水管中流动时,速度压力不变,但当某处实然变窄或变宽,那么速度和压力会相应的变大/小和高低。信号在传输线末端突然遇到监测电缆电阻很小甚至没有,信号在这个地方就会引起反射。为使得通讯电缆的阻抗连续,需要在通讯线缆的接线柱上并接一个与电缆特性阻抗大小相同的终端电阻来消除阻抗不连续反射。监测信号在环网中传输是半双工但双向传输,所以环网上的监测电缆两端的接线端子上都要并接大小相同的中断电阻。
从理论上分析,在传输电缆的接线柱上并接与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻,就再也不会出现信号反射现象。但是,在煤矿井下应用中,由于传输电缆的特性阻抗由直流电阻和交流电阻组成与通讯波特率、应用环境、线缆特性等相关,特性阻抗不可能与终端电阻完全相等,因此或多或少的信号反射还会存在。引起信号反射的另个原因是数据收发器与井下信号电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射,主要表现在通讯线路处在空闲方式时,整个网络数据异常。
信号反射对数据传输的影响,归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器,使接收器收到了错误的信号,导致CRC校验错误或整个数据帧错误。
在信号分析,衡量反射信号强度的参数是RAF(Refection Attenuation Factor反射衰减因子)。它的计算公式如式(1)。
式中：Vref—反射信号的电压大小;Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。例如,由实验测得3.0MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V,反射信号的峰-峰值为+0.299V,则该通讯电缆在3.0 M H z的通讯速率时,它的反射衰减因子为：RAF=20lg(0.299/3.0)=-20.02dB
要减弱反射信号对通讯线路的影响,通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在煤矿井下现场应用中,我们通常的解决方法是将RS-485总线的A、B线端子加上一定阻值的偏置电阻,分别拉高或拉低,这样就不会出现不可预知的杂乱信号了。
3 制定简单可靠的RS-485通讯协议
结合现场故障分析,与厂家配合制定简单可靠地通讯协议有效提高监测系统通讯的容错率。矿井开拓布局小距离短,环境简单干扰小,应用简单通讯就能实现井下安全监测的所有功能,但是随着矿井的开拓布局不断扩大延伸,机械变频设备不断增多干扰加剧,简单的通讯就很难满足要求。施工前期综合布线的是否专业,本安或非本安电路与接线端子之间的距离是否满足小于50mm;高低压电缆在巷道同一侧时,高低压电缆是否满足距离大于0.1m;低压电缆之间的距离是否满足不得小于50mm等等。还有井下巷道开采引起通讯线路距离的不可决定性、变频器等对通讯信号线路周围干扰程度、通讯线是否采用双绞屏蔽线等等,这些因素都给系统的正常通讯带来极大的影响。于是,制定一套完善的通讯协议就显得尤为重要了。
安全监测系统采用RS-485主从总线进行通讯的分层体系结构,中心站设置在监测机房,主从通讯方式实时巡检其他分站。由于采用半双工、时分制通讯方式,需要一套合理的通讯协议来协调总线分时共用。监测数据在每包的数据上加上帧头和帧尾,并且在帧尾上留一个字节作为校验字节对分站和主机发送的数据包的校验字节作比较。来判断主机发送的指令时继续发送还是从新发送。这种从发机制可以有效的提高数据传输的误码率。数据的准确性还有一个关键因数就是校验方式的选取,奇偶校验、和校验、CRC校验是常用的校验方式,由于奇偶校验、和校验比较简单有偶然性,错误数据时常上传。CRC校验计算稍复杂,可靠性、稳定性,CRC校验的基本思想是利用线性编码理论,单片机常用的C R C算法是,C R CCCITT算法：X16+X12+X5+1。
4 RS485总线传输距离
RS485总线支持半双工或全双工模式,网络拓扑采用两端加匹配电阻的总线型结构。RS485总线带负载的多少与通信电缆长度之间的关系：Ve=0.8Vd-Vl-Vn-Vb
式中：Ve为总线末端信号电压,在标准测定时规定为0.2V;Vd为驱动器输出电压,与负载数有关,负载数在5～32个时Vd=2.4V,负载数小于5个时Vd=2.5V,负载数大于32个时Vd＜2.3V;Vl为信号在总线传输过程中的损耗,与通信电缆的规格、长度、材质以及波特率有关;Vn为噪声容限,在标准测定时规定为0.1V;Vb为由偏置电阻提供的偏置电压,典型值为0.4V。从式中可以看出,Vd的大小与传输总线上带负载数的多少成反比,Vl的大小与总线长度成正比,其它参数只与驱动器类型有关。因此,在485总线允许的情况下：传感器负载数越多,485信号传输距离越短;传感器负载数越少,485信号传输距离越长。
5 结语
经过上述在技术革新,煤矿井下现场应用时使得RS-485总线在安全监控系统中的可靠性大大提高,满足了济宁三号煤矿监控系统对通讯系统的各项要求, 实践证明,RS-485总线以其简易、经济、控制方便等特点,在我矿包括安全监控系统在内的各种监控系统广泛采用。经过以上改进,进一步提高了安全监测系统通讯的稳定性,节省了部分人力、物力。在应用上,只要在硬件和软件方面加以注意,可以取得良好的通讯效果。
[1]郭文加.RS-485收发器及组网中的有关问题[J].电子技术应用,1998.(1).
[2]林雪峰,刘胜,李柏均.RS-485总线在煤矿安全监控系统应用中的可靠性设计[J].矿业安全与环保,2006.(6).
[3]阎显勇,宋建成.基于RS485接口的煤矿井下通信总线的研究[J].工况自动化,2007.(6).
