一种具有电口长距离通信功能的监控分站_谭凯.pdf

Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 一种具有电口长距离通信功能的监控分站 谭凯 1,2， 许 金 1,2， 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 针对煤安监函 〔2016〕 5 号文件中对 “传感器至分站传输数字化” 和 “十三五末分站至主干 网之间传输应采用工业以太网， 淘汰总线传输” 的要求， 设计了一种监控分站。该分站基于 2 片 高性能处理器协同工作， 结合 μC/OS 实时操作系统优秀的多任务调度机制， 具有数据采集高效， 异常响应快速的特点。同时分站扩展以太网远距离通信转换模块， 实现了以太网电口远距离数 据传输的功能， 相比于光纤传输， 不仅接线简单， 而且维护方便。 关键词 监控系统； 监控分站； 传输数字化； 工业以太网； 远距离数据传输 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 11-0129-04 A Monitoring Substation with Electric Port Long-distance Communication Function TAN Kai1,2, XU Jin1,2, SHAO Yan1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;2.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China） Abstract According to the requirements of document No.5 of the Coal Safety Supervision Letter ［2016］for the “sensor-to- substation transmission digitization”and “Thirteenth Five -Year Plan”the transmission from the substation to the backbone network, the industrial Ethernet should be used, and the bus transmission should be eliminated, a monitoring substation is designed. The substation is based on two high perance processors working together, combined with the excellent multi-tasking scheduling mechanism of μC/OS real-time operating system, the substation has the characteristics of efficient data acquisition and quick response to abnormal conditions. At the same time, the substation expands the Ethernet long -distance communication conversion module, and realizes the function of long-distance data transmission of the Ethernet electrical port. Compared with the optical fiber transmission, not only the wiring is simple, but also the maintenance is convenient. Key words monitoring system; monitoring substation; transmission digitization; industrial Ethernet; long-distance data transmission 分站作为煤矿井下安全监控系统重要的传输、 控制节点[1-2]， 实现传感器数据采集、 分析、 应急联动 以及数据上传等功能。传统监控系统传感器通过频 率值将检测结果上传至分站[3]， 缺点是传递信息单 一、易受干扰、每一路传感器都必须铺设独立的信 号线[4]。分站至交换机基于 RS485 总线传输， 受到波 特率和呼叫应答机制的约束，造成 1 条链路下所有 分站巡检周期变长[5-7]。在传感器至分站数字化升级 方案中，优先考虑到的是 RS485 总线，因为 RS485 总线传输距离远，抗干扰能力强，单条总线上传感 器容量大的特点[8]。考虑到交换机光口、 电口数量， 升级后的分站应具备环网冗余功能，可自组成环网 后与交换机通信或与交换机共同组成环网。标准以 太网电接口以非屏蔽双绞线为传输介质时传输距离 不超过 100 m。 在距离超过 100 m 的情况下， 必须采 用光纤传输介质，然而光纤统统在煤矿井下熔接困 难、 功耗高、 维护困难[9-11]。 介绍了一种具有电口长距 离通信功能的监控分站，该分站不仅可以快速的实 现多路数据采集、 上传、 异常控制， 而且在基于非屏 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.027 谭凯， 许金， 邵严.一种具有电口长距离通信功能的监控分站 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 129-132. TAN Kai, XU Jin, SHAO Yan. A Monitoring Substation with Electric Port Long-distance Communication Function ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 129-132.移动扫码阅读 基 金 项 目 重 庆 市 技 术 创 新 与 应 用 发 展 重 点 资 助 项 目 （cstc2019jscx-mbdxX0007） ；中煤科工集团重庆研究院有限公司重 点研发资助项目 （201002120） 129 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2长距离以太网电口通信模块硬件框图 Fig.2Block diagram of long-distance communication module hardware for Ethernet port 蔽双绞线以 10 M 速率传输距离可以达到 780 m。 1分站功能 分站由主板、 引线板、 交换机模块、 外壳 4 部分 组成。其中交换机模块选用 MOXA 厂家 3 光 3 电模 块。分站可实现 16 路总线型传感器、配套电源信 息、抽放系统传感器等终端设备数据采集功能， 同 时电路上也可实现采集 8 路电流型开关量传感器数 据。报警、 断电、 以及联动等逻辑控制从触发到执行 应在 2 s 内实现。 主板具有环网冗余功能， 以太网电 口 10 M 速率传输时距离应大于 700 m， 并且不影响 整个环网性能。还应具有遥控输入、 液晶显示、 存储 等辅助功能。 2分站硬件 分站硬件电路设计框图如图 1，分为逻辑处理 模块与总线采集模块， 2 部分均基于 STM32F429 处 理器设计。 总线采集模块通过 “轮询” 方式实现总线型传感 器检测值采集。分站与传感器总线通信的波特率为 4 800 bit/s，采用一呼一答的主从方式，考虑到 2 s 断电的要求，采集模块基于 SN65LBC184 芯片将 STM32F429 处理器串口 2～串口 5 的 TTL 电平信号 转换成 4 条独立的 RS485 总线差分信号，实现 16 台传感器数据采集。每路 485 总线与处理器间都用 光耦隔离以免线缆上的干扰影响到主板。总线采集 模块还基于 CTM8251T CAN 收发器芯片实现 2 路 CAN 总线接口，与 RS485 总线 1～总线 2 共用处理 器 2～3 路串口， 通过拨码开关进行切换。逻辑处理 模块主要实现对传感器数据解析、控制输出、数据 上传、异常数据存储等功能，通过高速串口从总线 采集模块获取传感器数据。 分站通过 4051 选择器和 设计比较器电路， 将通过 A1～A8 接口接入的 8 路电 流信号转换为 3 路组合电平信号直接输送到处理器 引脚，每种电平信号组合代表 1 种传感器状态。分 站可实现 8 路控制电平信号输出，通过光耦隔离实 将处理器 3.3 V 处理器电平信号转为 5 V 输出从而 控制开关闭合、 断开， 实现 8 路断电设备的控制。逻 辑处理模块还设计有主通信总线接口，可兼容实现 采用 RS485 总线进行数据上传模式。从通信总线接 口主要实现电源箱信息采集以及抽放系统传感终端 设备数据采集。 基于 HS9149A 芯片的红外遥控电路 和 4.3 寸显示屏为用户提供了有好的交互界面。分 站设计有 SD 卡读写电路， 可对分站配置信息、 传感 器异常数据等重要信息进行加密存储。 分站主板基于 DP83848I 芯片与逻辑处理模块 STM32F429 芯片通过 RMII 接口通信实现 100 M/10 M 自适应以太网接口。在分站内部通过网线与交换 机模块连接，通过交换机模块光纤传输形成环网通 信。在分站主板设计有 2 个长距离以太网电口通信 模块的供电接口及固定孔，可实现 2 路普通电口和 长距离电口的转换。长距离以太网电口通信模块硬 件框图如图 2。 整个模块由裕太车通公司 YT8512、 YT8510 以 太网 PHY 芯片， PIC16F1459 单片机以及 RJ45 等一 些外围电路组成。 模块由主板提供 3.3 V 工作电压。 YT8510 是一款基于 LRE 技术，支持远距离通信的 以太网 PHY 芯片。该芯片在兼容 IEEE802.3 协议自 协商机制的同时，扩展了一种链路发现信令 （LDS） 自动协商机制，可实现在以非屏蔽双绞线为传输介 质大于 10 M 速率最远可达 800 m 的通信。分站交 换机电口通过网线进入模块 RJ45-1 接口， PHY 芯 片 YT8512 将来自分站的电信号转化为 TTL 电平信 号， 通过 RMII 接口传送给 YT8510 转换为支持长距 离通信的电信号由 RJ45-2 发出。相反， YT 8510 接 收的数据也可以通过 YT8512 转化为普通电信号与 分站通信。PIC16F1459 单片机通过 MDIO 接口读 图 1分站硬件设计框图 Fig.1Block diagram of substation hardware design 130 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 取、 配置 2 片 PHY 芯片的寄存器， 实现芯片初始化 设置、 速率同步及单端链路断开后模块管理功能。 3分站软件 分站数据处理单元的的软件流程如图 3。逻辑 处理模块与总线采集模块都基于 μC/OS 实时多任 务操作系统平台实现，将所有软件功能初始化为优 先级不同的逻辑任务，任务之间通过信号量、邮箱 等特定变量实现数据共享， μC/OS 操作系统对分站 所有任务进行调度，总是在一个任务执行结束后优 先处理级别高并且准备就绪的任务。 逻辑处理模块在分站启动后首先对所有任务、 变量进行初始化，所有任务等待 1 min 后才开始执 行，主要是为了使外接传感器开机后敏感元器件工 作稳定。数据采集任务从总线采集模块获取传感器 数据，解析后推送至邮箱内，分站所有控制逻辑都 由逻辑处理任务实现，当邮箱中有数据更新时逻辑 处理任务第一时间读取数据，根据配置逻辑对数据 进行分析，当达到触发条件时输出相应的控制信 号。通讯任务完成分站与中心站数据交互，将传感 器数据信息、分站信息、控制信息等及时上传至上 位机软件，并对上位机下发给分站的数据帧进行解 析。数据存储任务完成配置信息、 异常数据、 控制口 状态等信息存储等功能。显示任务则以 5 s 间隔滚 动显示所有传感器实时数据、控制口状态、电源工 作情况等信息。 长距离以太网电口通信转换模块软件流程示意 图如图 4。PIC16F1459 单片机上电后通过 MDIO 接 口首先对 2 片 PHY 芯片进行初始化， 使芯片能够正 常工作。PIC16F1459 单片机读取 YT8510 长距离 PHY 芯片与对端设备通过协商速率， 然后将 YT8512 芯片强制设置为与 YT8510 芯片同样的速率，以保 证没款能够正常的工作。 4测试验证 测试环境搭建如图 5。 3 台分站与 1 台工业级 MOXI 交换机模拟井下 通信环网， 其中分站 2、 分站 3 都插入电口长距离转 换模块，之间采用非屏蔽双绞线通信。分站 2 第 1 路 RS485 总线上接入通信地址为 3 的甲烷传感器， 通信地址为 1 的断电仪。定义控制逻辑为当 3甲烷 传感器采集值达到 1.5时分站控制 1断电仪开关 断开。测试重复进行 3 次，记录分站断电响应时间 图 3分站软件流程框图 Fig.3Software flow diagram of substation 图 4长距离以太网电口通信模块软件流程图 Fig.4Flow chart of software for long-distance communication module 图 5测试系统搭建示意图 Fig.5Schematic diagram of test system setup 131 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 1分站电口远距离通信性能测试记录 Table 1Test records of long-distance communication perance for substation Ethernet port 序号长度/m状态成功率/ 1800链路正常73.7 2790链路正常97.9 3780链路正常100 4770链路正常100 5760多次链接100 分别为 0.90、 0.99、 0.93 s。 断开分站 1 与交换机之间 光纤， 分站 2 数据经过分站 3 上传至中心站， 根据理 论推算从 800 m 开始，以 10 m 为 1 档逐步减少双绞 线长度，对正常通信情况下双绞线最大长度进行测 试， 在每种长度下连续运行 3 h， 通过上位机软件统 计上位机与分站 2 成功通信次数占总通信次数的百 分比。分站电口远距离通信性能测试记录见表 1。 5结语 设计了一种具有电口长距离通信功能的监控分 站，介绍了分站的硬件和软件。从测试结果可以得 出设计的具有电口长距离通信功能的监控分站控制 响应速度快， 时间在 1 s 以内， 远低于行业标准中规 定的 2 s。以太网电口通信在 780 m 左右时成功率 可达 100，完全满足安全监控系统网络建设的需 求。较煤矿井下使用光纤传输成本大大降低，且易 于与处理器、 芯片进行整合， 大规模应用基础好。使 用标准网线钳即可完成接线，不改变用户维护线缆 习惯， 组网方便， 灵活。具有成本低， 易于集成， 接线 简单， 维护方便， 功耗低、 集成度高的特点。 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］ 孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术 ［J］ .煤 炭科学技术， 2014， 42 （9） 22-25. ［3］ 孙继平.煤矿监控新技术与新装备 ［J］ .工矿自动化， 2015， 11 （1） 1-5. ［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］ 郭晓霞， 张少华， 王紫民.煤矿监测监控系统存在的问 题及改造研究 ［J］ .现代制造技术与装备， 2019 （12） 154-155. ［6］ 陈佩佩.煤矿安全监控系统升级改造实施要点探讨 ［J］ .能源技术与管理， 2019， 44 （6） 11-12. ［7］ 王亚巍.煤矿安全监控系统研究现状及发展趋势分析 ［J］ .化工管理， 2020 （4） 90-91. ［8］ 范洁， 熊政， 王黎明， 等.RS485 通信及相位差结合的 电能表相位识别方法 ［J］ .电子设计工程， 2019， 27 （19） 69-72. ［9］ 王雷， 张合强， 裴建昀.基于光纤通信的用电信息管理 系统的应用 ［J］ .电子技术与软件工程， 2019 （24） 25. ［10］ 丛蔓.现代光纤通信技术的特点及其应用研究 ［J］ .信 息系统工程， 2019 （12） 85-86. ［11］ 盛文巍， 王静， 刘睿智， 等.光纤传输技术在伺服远程 测试系统中的应用 ［J］ .计算机测量与控制， 2017， 25 （11） 47-49. 作者简介 谭凯 （1977） ， 重庆人， 副研究员， 2001 年毕业于西南师范大学， 从事煤矿安全仪器仪表研发工作。 （收稿日期 2020-03-26； 责任编辑 李力欣） 132