基于矿用电气装备的光纤通信控制系统研究

张全柱，郭海兵，邓永红

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤矿使用的电气装备大多都是成套的,从厂家购买或者直接进口国外的设备。井下变频器、可编程控制器等设备都带有RS485接口[1]。煤矿常用的刮板运输机和采煤机都有两个变频器，而皮带运输机有二个或者二个以上的变频器，设计有多路RS485总线通信接口[2]。随着科技的发展，煤矿现有设备需要进行自动化和智能化的升级改造及并网连接以适应智能化生产的需要。然而，使用RS485接口连接在井下复杂的环境里通信存在很大的不确定性。因为485总线采用差分信号传输方式[3]，所以变频器与主机之间采用双绞线的方式连接在长距离传输时有很大的干扰。然而，光纤通信是以光导纤维为传输介质进行信息传输的通信技术，具有传输容量大、抗电磁干扰能力强等突出优点,是未来信息传输的主要方式[4]。结合目前主流设备多数存在RS485总线接口[5]，将RS485电平转换成适合光纤传输的信号[6]，可满足井下特殊环境里变频器的运行需求，提高其通信的抗干扰能力和使用的可靠性。本文结合实际工程，设计一款RS485—光纤—RS485的通信板，可应用于井下电气装备的RS485通信中，并进行了实验验证及波形分析，兼顾技术先进性和工程实用性，研究485差分信号转光纤传输的控制系统，有很好的实用意义。

1 光纤通信板总体结构和工作原理

1.1 矿用变频器运行结构

图1所示结构是光纤通信板应用在矿用变频器主机与从机进行长距离通信的运行框图。主机侧的光纤通信板把485差分信号转换成光纤信号进行长距离传输到从机侧的光纤通信板中，从机侧的光纤通信板再把光纤信号转换成485差分信号传送给从机，同时从机发回信号给主机，实现主从通信。使用此光纤通信板作为中继设备连接现场总线，不仅能够增强传输距离，还可以保证传输中由外部电磁场造成的干扰减小到最低[7]。

图1 矿用变频器长距离通信运行结构框图

1.2 光纤通信板工作原理

图2为光纤通信板的结构框图，主要由隔离的供电电源、485收发电路、光纤转换电路三个部分组成。其工作原理是通过485收发电路把RS485总线上的差分信号转化成TTL电平，再由光纤转换电路转化成光纤信号发送出去，使光信号与被传输电信号具有相同特征；光纤转换电路把接收到的光纤信号还原为TTL电平，由485收发电路转化成差分信号送给RS485总线，即可通过上述过程实现图1中主机与从机之间的通信。

图2 光纤通信板总体结构框图

2 硬件电路设计

光纤通信板应能实现RS485逻辑电平和光纤信号间的相互转换。由于该光纤通信板要在电磁辐射环境恶劣的煤矿井下使用，因此该设计应具有电气隔离、强抗干扰能力、低功耗和隔离供电的特点。

2.1 隔离电源电路设计

图3给出的是隔离电源电路，该电路主要由输入滤波电路、隔离电源和输出滤波电路三个部分组成，加强了电源电路的抗干扰能力。隔离电源模块也可用开关电源代替，具有转换效率高，空载功率低的特点。按照实际需求可由9 V到36 V电压输入转换为稳定的5 V隔离电压输出，使电压的输入与输出完全隔离开，既保证了电路的稳定性又提高了其抗干扰性。

图3 隔离电源供电电路

2.2 光纤转换电路设计

图4给出了光纤转换电路的原理图，主要由光纤发送电路和光纤接收电路组成。光纤发送电路主要由驱动门电路SN75451B与光纤发送器组成，把485收发器发出的TTL电平信号转化成光信号；光纤接收电路把光纤通信板接收来的光信号转化为TTL电平发送到485收发器上。光纤发送器和光纤接收器分别采用的是HFBR-1521发送器和HFBR-2521接收器，可适用于常见的塑料光学纤维传导。图4(a)给出了光纤发送器和光纤接收器的内部原理图。HFBR-1521发送器采用发光二级管将光信号传送至光纤，光纤将光信号传递至 HFBR-2521接收器，接收器利用光敏二级管检测到光信号后触发接收器内三极管导通，VO与GROUND形成回路，即可采用VO来输出高、低电平。光纤传输提供良好的级间隔离，以消除反串干扰，同时接收器的输出电位只有高、低两种，无中间态，可以有效防止误操作[8]。

图4 光纤转换电路

2.3 485收发电路和自使能电路设计

图5给出了485收发电路和自使能电路的结构。收发电路由自使能电路、485收发器和保护滤波电路三部分组成。自使能电路由“RTS”信号的高低电平决定。485总线把差分信号通过滤波电路、保护电路发送给芯片[9]。在485收发工作电路的RS485总线两端设计了总线匹配电阻，增强了数据通信的抗干扰性与可靠性。

图5 485收发电路

3 电路工作过程分析

图6所示为光纤通信板的工作原理图，两块光纤通信板之间的光纤信号代替RS485总线把数据传送给主机和从机。工作时，主机发送通信命令到光纤通信板1上，经485收发工作电路到收发器“U2”的A、B引脚上，收发器将差分信号进行计算，通过其1脚输出高、低电平。此时光纤通信板1中光纤接收电路还未接收到光信号，故由图4(b)可知“SCIT1”为高电平信号，则“RTS1”为低电平；根据收发器工作原理“U2”输出的信号可由驱动芯片“SN75451B”经光纤发送器“HFBR-1521”转化为光信号送到光纤通信板2上。

图6 光纤通信板工作过程

光纤通信板2接收到光纤信号，“SCIT2”为低电平，同时控制自使能电路“RTS2”信号变为高电平，收发器“U3”接收光纤接收电路的电平信号，经过收发器“U3”内部计算后输出差分信号到从机。

从机收到信号时会以同样的方式反馈信号给主机，至此完成信号的转换过程。通过这种方式，很好地实现了矿用电气装备的远程通讯[10]。

4 实验结果分析

4.1 实验室平台介绍

对设计的光纤通信板进行实验研究，搭建图7 所示的实验平台，主要由示波器、两个模拟矿用电气装备的变频器、4块光纤通信板、上位机和供电电源等仪器设备组成。以上位机连接两套变频器为例进行通信实验。图中光纤通信板1和2分别与变频器就近连接，同时分别通过光纤与光纤通信板4和3连接，而光纤通信板4和3输出的485信号接到上位机中。初始设置485波特率为9600，数据位设置为8位，停止位设置为1位，奇偶校验位设置为0位，发送数据频率为100 ms/次，即可满足设备通信要求。

图7 搭建的实验台

4.2 实验结果分析

图8(a)是光纤通信板初始波形图，波形图中“C1”是收发器发送TTL电平信号1脚输出的波形，“C2”是自使能信号的波形，“C3”是接收TTL电平信号4脚的波形图。从波形图中可知，主、从机在没有通信情况下，收发器自使能信号为低电平，光纤通信板接收为高电平，发送为高阻状态。

图8 光纤通信板波形图

图8(b)是光纤通信板工作波形图，“C1”表示接收到主机每隔100 ms发送一次的数据波形，“C3”表示接收到从机返回来的数据波形，“C2”高低变化的电平波形表示了自使能信号使收发器发挥收发数据的作用，从波形图可以看出设计的光纤通信板符合预期的功能。

图9(a)是光纤通信板工作波形图的一帧数据波形图，从图中可知485收发器在其使能引脚为低电平时可接收到上位机发送的差分信号指令，通过其1脚可输出TTL电平,转化为光纤信号发送给从机；在使能引脚为高电平时，4脚接收光纤接收电路的电平信号，输出差分信号，发送给主机。

图9 波形展开图

图9(b)是一帧数据的波形展开图，表示的是光纤通信板传送一帧数据时自使能电路上的使能信号与收发器引脚接收光纤信号的波形图。通过“C3”的波形看出，使能端为高电平，表示主机接收到了变频器返回来的信号。

5 结论

(1) 本文基于煤矿现有电气装备，设计可以利用光纤代替双绞线通信的光纤通信板，可以满足井下矿用RS485设备的通信需求。

(2) 设计的光纤通信板可由上位机同时控制多台变频器运行，能应用于各种矿用变频器的RS485总线通信中，无需改变原有硬件结构就可实现光纤与RS485总线数据之间的互连通信，实验表明该光纤通信板可以长时间稳定运行，现场控制效果较好，用光纤进行通信可提高抗干扰能力。

(3) 该光纤通信板外围电路简单，性能稳定，容易实现，供电电路具有良好的隔离和保护能力，不但适用于矿用变频器也适用于其他规格的485通信设备。

(4) 具有强大的拓展能力，除485信号外232和422均可采用这种方式实现长距离通信，有较强的工程实用性及应用推广价值。