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.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）

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。

图1 不定期受控RS485 总线并发通信方式拓扑图Fig.1 Topology diagram of irreqularly controlled RS485 bus concurrent communication

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。

图2 分站通信流程图Fig.2 Flow chart of substation communication

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n×50 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

图3 传感器通信流程图Fig.3 Flow chart of transducer communication

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。

表1 分站地址帧数据协议表Table 1 Protocol table for data of substation address frames

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。

表2 传感器数据协议表Table 2 Protocol table for sensor data

3 测 试

实验室测试设备连接图如图4。

图4 测试设备连接图Fig.4 Connection diagram of test equipment

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。

表3 断电时间记录表Table 3 Record of power-off time

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。