工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用(鹿令才).doc

工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用鉴 定 材 料山东金阳矿业集团有限公司金阳煤矿二一五年十二月目 录一、鉴定大纲 2 二、工作报告 4三、技术报告 12四、经济效益分析报告 25五、用户使用情况报告 27工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用鉴定资料之一鉴 定 大 纲山东金阳矿业集团有限公司二一五年十二月鉴 定 大 纲一、项目名称：工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用二、项目来源：计划外项目三、项目完成单位：山东金阳矿业集团金阳煤矿四、鉴定程序1、宣布鉴定委员会名单。2、由鉴定委员会主持，听取课题汇报：（1）工作报告；（2）技术报告；（3）经济效益分析报告；（4）用户使用情况报告。3、鉴定委员会质疑，主研人员答辩。4、鉴定委员会对项目进行评议，形成鉴定意见。5、鉴定会结束。五、鉴定资料1、 鉴定大纲2、 工作报告3、 技术报告4、 经济效益分析报告5、 用户使用报告鉴定委员会年 月 日工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用鉴定资料之二 工 作 报 告山东金阳矿业集团有限公司金阳煤矿二一五年十二月工 作 报 告在煤矿安全监控系统中 , 往往需要实现监控中心站和众多数据采集分站的联网监控 , 因此需要选择一种能够实现长距离、 高可靠性、 高效率的数据传输的通讯方式。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。由于 RS - 485 通讯方式使用一对双绞线实现多站联网、 硬件设计简单、 控制方便、 通讯效率高、 成本低廉等优点 , 同时 RS - 485 标准只对接口的电气特性作出规定而不涉及接插件电缆或协议 , 在此基础上用户可以根据自己的特定要求建立自己的高层通信协议 , 因而被煤矿安全监控系统广泛采用。二、项目的应用情况系统容量： 异步传输方式128台分站级设备传输速率： 10M, 1200/2400bps传输方式： 以太网， RS485传输电缆芯线：光/电缆2芯地面中心站到分站之间无中继最小传输距离：电缆15km分站到传感器之间的传输距离不小于：2km模拟量传感器信号：2001000Hz及现场总线数字信号开关量传感器信号：0、5mA ，无电位接点及现场总线数字信号新版煤矿安全规程第四百八十九条矿用有线调度通信电缆必须专用.严禁安全监控系统与图像监视系统共用同一芯光纤.矿井安全监控系统主干线缆应当分设两条,从不同的井筒或者一个井筒保持一定间距的不同位置进入井下，我们采用工业以太网+现场总线方式，提高了监控系统可靠性。系统结构对比：环网+现场总线 时分制 主传输冗余,可靠性高 主传输单一链路,可靠性略差传输信息容量大 传输信息容量小传输速度快,系统容量大 传输速度慢,受接点容量限制系统响应快速,不大于3S 受巡检周期约束,最大30S现场总线传感器即插即用 受机制约束,必须主机配置无系统级采样转换误差 有频率采样误差传感器报警门限与主机互传 频率单向传送485传输系统容量大新版煤矿安全规程第四百八十五条使用蓄电池的设备充电应当符合监控、通信、避险等设备的备用电源可以就地充电,并有防过充等保护措施，我们通过现场总线实现了备用电源显示和控制。电源信息显示远程电源充放电管理具有井下不间断电源综合管理功能,实时监测电源工作状态,预防分站,传感器,执行器断电,造成不必要的断电和危险的隐患。现场设备采用总线方式接入更简单485传输工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用鉴定资料之三 技 术 报 告山东金阳矿业集团有限公司金阳煤矿二一五年十二月技 术 报 告现场总线的优点由于现场总线的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。1、节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2、节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60以上。3、节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。4、用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过5、提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。1 RS - 485 总线标准的特点及适应性1.1 RS - 485 总线的特点RS - 485 总线作为一个基于单对平衡线的多点、 双向、 半双工通信链路 , 采用平衡发送和差分接收 , 具有相当高的噪声抑制能力( - 7 + 12 V 总线共模范围 ) 。由于接收器输入门限最低可达 200 mV ,因此传输信号能够经过数千米传输线的衰减后得到恢复 , 同时具有最高可达 10 Mb / s 的传输速率 , 接收输入电流小 , 可以使总线上挂接多个节点 , 最早规定总线最多拥有 32 个节点 , 随着电子技术的发展 , 现在已经可达 400 个节点。RS - 485 通讯网络组成如图 1 所示 , 每个节点由一个独立的接收器和发送器组成 , 接收器和发送器分时占有总线 , 依靠控制端电平控制接收或发送数据。发送器将数据转化成一对电平信号 , 发送到总线上 , 而接收器则采用差分方式接收信号 , 解码成相应的数据。1.2 煤矿监控系统的特殊性在煤矿监控系统中 , 在电气特性方面 , 对于通讯一般要求如下 :1)传输距离远 , 要求 10 km 以上 ;2)要求输出电信号为本安信号 ;3)对于本安电路与非本安电路之间需要实现可靠隔离 ;4)一般采用主从通讯的工作方式 , 实现多站联网 , 要求节点容量 8 ,16 ,32 ,64 或 128 个 ;5)为保证监控系统的实时性 , 一般要求在 30 s之内所有节点巡检一次 ;6)节点应具有独立性 , 一个节点失效 , 不影响其它节点的正常工作 ;7)平均无故障时间 (MTBF) 不小于 800 h;8)传输误码率 : 10- 8;9)防雷电冲击。防雷电冲击。1.3 监控系统的组成为便于监控中心站对各分站的管理 , 煤矿监控系统一般采用主从通讯的工作方式 , 实现多站联网 ,监控中心站作为主站 , 分时采集各分站的数据。在煤矿监控系统中 , 对于数据传输要求是很苛刻的 , 因此对于通讯的可靠方面提出更高的要求。 图 1 RS- 485 通讯网络组成2 RS - 485 通讯网络的设计虽然 RS - 485 总线具有满足煤矿监控系统通讯方面很多优点 , 但设计时每个细节都必须重视 , 否则会造成意想不到的后果。以下介绍利用 RS - 485 通讯方式作为煤矿安全监控系统在通讯方式上的解决方案时 , 设计上所要着重考虑的一些问题。2.1 传输速率与传输距离RS - 485 收发器传输距离与传输速率有一定的关系 , 最高传输速率为 10 Mb / s , 在此速率下 , 最大传输距离 10 m 。数据传输速率在 105 107 kb / s , 通信距离主要由传输线的欧姆阻抗、 集肤效应等损耗引起信号的畸变而受限制。由于损耗与频率有关 , 故随着数据速率的降低 , 通信距离得到增加, 在不影响监控系统实时性的前提下 , 适当降低通讯速率 , 将有效提高通讯距离 , 实践中选用 1 200 b / s 或者2 400 b / s 的传输速率 , 可以大大提升 RS - 485 的通讯距离。同时 , 要达到理想的传输距离 , 在传输线的选择及阻抗匹配上也大有讲究 :1)在差分平衡系统中 , 一般选择双绞线作为信号传输线 , 以消除传输线上的共模干扰 ;2)信号在传输线上传送 , 若遇到阻抗不连续的情况 , 会出现反射现象 , 通常在传输线末端连接120 电阻 , 进行阻抗匹配 , 消除信号反射。3)传输线的阻抗对信号的衰减严重影响信号的通讯距离 , 在实践中通常选用线径为 1 mm2两芯阻燃屏蔽电缆线 MHY V( 电阻 12.8 /km , 电容 0. 06 F / km , 电感 0. 8 mH / km) , 可以使得通讯距离延长到 10 km 。2.2 本安输出RS- 485 都具有集成电路完成其收发功能 , 一般由 5 V 电源供电 , 信号输出电压都在 5 V 之内 , 正常工作输出电流很小 ( 1 mA) , 短路电流最大100 mA , 完全满足国家标准 G B 3836. 4 2000 爆炸性气体环境用电气设备 第 4 部分 : 本质安全型“ i ” 对于本安电路的要求。2.3 可靠性问题对于 RS - 485 通讯的可靠性问题 , 需要设计人员对通讯系统硬件和软件方面加以注意 , 设计出符合煤矿要求的高质量的通讯系统。2.3.1 硬件设计2.3.1.1 RS - 485 网络配置1)网络节点数。网络节点数与所选 RS - 485 芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关 , 如 SN75176标称最大值为 32 ,75LBC184 标称最大值为 64 点 ,MAX1487 标称最大值为 128 ,MAX1482 最大值为256 点 , 而 SIPEX 的 SP485R 节点的能力理论值可以达到 400 点。实际使用时 , 因线缆长度、 线径、 网络分布、 传输速率不同 , 实际节点数均达不到理论值。例如 75LBC184 运用在 500 m 分布的 RS - 485 网络上节点数超过 50 点或速率大于 9. 6 kb / s 时 , 工作可靠性明显下降。通常推荐节点数按 RS - 485 芯片最大值的 70 % 选取 , 因此 , 尽量选取节点能力较强的芯片。2)节点与主干距离。理论上讲 ,RS - 485 节点与主干之间距离(T头 , 也称引出线 ) 越短越好。 T 头小于 10 m 的节点采用 T 型 , 连接对网络匹配并无太大影响 , 可放心使用 , 但对于节点间距非常小 ( 小于1 m)应采用星型连接 , 若采用 T 型或串珠型连接就不能正常工作。 RS - 485 是一种半双工结构通信总线 , 大多用于一对多点的通信系统 , 因此主机 (PC) 应置于一端 , 不要置于中间而形成主干的 T 型分布。2.3.1.2 防雷电袭击接收器差分输入端对 “地” 共模电压允许值为- 7 + 12 V , 若超过此范围 , 器件可能被损坏, 因此 , 雷电在传输线上产生的瞬变干扰信号常常会损坏器件 , 在设计时应当考虑防雷电措施 , 比如选用能够防雷电的器件 , 如 TI 公司的 SN75LBC184 , 同时增加避雷器装置 , 使雷电信号得到泄放 , 避免损坏器件。2.3.1.3 抗静电放电冲击在器件的安装过程以及在设备安装过程中 , 人体会直接接触器件或裸线 , 由于外壳或人体通常带有很高的静电 , 有时甚至可以达到 35 kV , 因此容易产生很高的静电释放 (ESD) , 损坏接口芯片 , 所以设计时需要选用抗静电的接口芯片 , 如 MAX1487E 等 ,也应当减少接触器件的机会 , 同时 , 尽量使通讯的分站或通讯接口外壳良好的接地 , 使静电有泄放回路。2.3.1.4 故障保护在 RS - 485 总线网络上 , 最怕出现的问题是 , 一个节点出现故障 , 整个系统的通信瘫痪。同时会给故障的排查带来困难。分析此类问题 , 究其原因 , 大多因为总线某节点失效后网络被锁死 , 控制权一直掌握在该节点上 , 使总线一直处在忙碌状态 , 不能接收其他节点发送的信息。为防止总线上产生模糊电平 , 应在总线上添加上拉、 下拉电阻 , 同时为避免总线被 “锁死” , 需要添加 PTC 电阻 , 以消除节点对总线的影响。2.3.1.5 传输线的铺设及屏蔽在系统安装时 , 应尽量做到传输线单独铺设 , 不可与交流输电电缆等动力线一起铺设在一条电缆沟中 , 强信号线和弱信号线应尽量避免平行走线 , 尽力使二者正交 , 使电磁耦合减到最小。如果传输线采用带有屏蔽层的双绞线 , 将屏蔽层良好接大地 , 也会收到好的效果 , 接地正确方法应采用就近接地 , 将干扰信号降到最低程度。2.3.2 软件解决2.3.2.1 波特率的选取对于微处理器 , 一般采用集成 UART 进行通讯 ,通讯波特率是依靠外接晶振的振荡频率分频得到 ,在选择波特率时 , 尽量保持所选择波特率与微处理器能实现的波特率没有误差。表 1 列出了 51 系列单片机 , 采用 12 MHz 晶振和 11.059 2 MHz 晶振实际能产生的波特率。表 1 波特率对照表由表 1 可知 , 在微处理器选用 12 MHz 晶振时 ,在很多可用波特率点上 , 实际波特率与理想波特率之间 , 往往会产生较大的误差 , 而选用 11. 059 2 MHz晶振时 , 基本上可以消除误差。2.3.2.2 CRC 校验采用 RS - 485 总线主从通讯方式的系统 , 监控中心站始终处于主机地位巡检其他分站 , 因此需要一套合理的通讯协议来协调总线分时共用。数据通常是按照数据帧的方式传送 , 简易的通讯协议通常包括 : 引导码、 长度码、 地址码、 命令码、 内容、 校验码等部分 , 当一帧数据发送或接收完毕 , 需要对数据进行校验 , 剔除错误的一帧数据。通常可以采用奇偶校验、 和校验、 CRC 校验的方式 , 前两者过于简单 , 有一定的偶然性 , 有时校验不出错误数据 ,CRC 校验计算稍复杂些 , 但可靠性优于前面两者 , 因此在煤矿监控系统中常用 , 单片机常用的 CRC 算法是 CRC -CCITT 算法 :X16 + X12 + X5 + 1 。3 结论经过上述在软件方面与硬件方面的精心设计 ,使得 RS - 485 总线在监控系统中的可靠性大大提高 , 满足了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 , 现阶段已被包括煤矿监控系统在内的各种监控系统广泛采用。在各种现场中，485总线应用的非常的广泛，但是485总线比较容易出现故障，现在将485总线容易出现故障的情况并且可以排除这些故障的方法罗列如下：1.由于485信号使用的是一对非平衡差分信号，意味485网络中的每一个设备都必须通过一个信号回路连接到地，以减少数据线上的噪音，所以数据线最好由双绞线组成，并且在外面加上屏蔽层作为地线，将485网络中485设备连接起来，并且在一个点可靠接地。2.在工业现场当中，现场情况非常复杂，各个节点之间存在很高的共模电压，485接口使用的是差分传输方式，有抗共模干扰能力，但是当共模电压大于+12V或者小于-9V时，超过485接收器的极限接收电压。接收器就无法工作，甚至可能会烧毁芯片和一起设备。可以在485总线中使用485光隔离中继器，将485信号及电源完全隔离，从而消除共模电压的影响。3.485总线随着传输距离的延长，会产生回波反射信号，如果485总线的传输距离如果超过100米，建议施工时在485通讯的开始端和结束端120欧姆的终端电阻。4.485总线中485节点要尽量减少与主干之间的距离，一般建议485总线采用手牵手的总线拓扑结构。星型结构会产生反射信号，影响485通信质量。如果在施工过程中必须要求485节点离485总线主干的距离超过一定距离，使用485中继器可以作出一个485总线的分叉。如果施工过程中要求使用星型拓扑结构，可以使用485集线器可以解决这个问题。5.影响485总线的负载能力的因素：通讯距离，线材的品质，波特率，转换器供电能力，485设备的防雷保护，485芯片的选择。如果485总线上的485设备比较多的话，建议使用带有电源的485转换器，无源型的485转换器由于时从串口窃电，供电能力不是很足，负载能力不够。选用好的线材，如有可能使用尽可能低的波特率，选择高负载能力的485芯片，都可以提高485总线的负载能力。485设备的防雷保护中的防雷管会吸收电压，导致485总线负载能力降低，去掉防雷保护可以提高485总线负载能力。如果在现场施工中，相关的因素不能改变，建议使用485中继器或者485集线器来提供485总线的负载能力。6.随着485系统的越来越大，485总线外挂的485设备越来越多，从而导致485总线的稳定性越来越差。现在市场上已经有可以负载128，256台甚至400台485设备的转换器，由于485总线使用总线连接形式，形成如果有一个485设备出现问题，就导致整个485总线出现问题的现象。所以从485总线的稳定性来说，当设备达到一定数量的时候，建议使用485集线器保证485总线的稳定性。从概率上分析，假设485总线上的485设备的无差错时间为99.9，当有128个485设备在一个总线