浅谈工业以太网系统在煤矿行业的建设与应用.pdf

2 0 1 1 年 第2 期 参娃差 舛l技 l l 5 浅谈工业 以太 网系统在煤 矿行业 的建设 与应 用 李 勇 中国矿业大学， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 该文着 眼于 T C P ／ I P ／ H T F P技术在工业 以太网 中的应用 ， 设计 实现 了 A R P 、 I C MP、 U D P处理模 块并 实现 了 S o c k e t 套 接字 ， 使得该 系统 具有基本 的 WEB服 务器 功能， 能对 将来对 于远程数据的访问及 其复杂的控制 方法提供 系统支持。 最后对于工 业以太 网的实 时性和模 块扩展 进行了一定 的探讨。 关键词 千兆环形 以太 网 自动化 安全可靠 数 据共 享 中图分类号 F 2 7 0 ． 7 文献标识码A 在煤 矿矿井 中引入 以太 网系统后 ， 不用 下井 即可 方便 、 快捷 的 了解 井下 的情况 。矿 井工业 以太 网系统 包括井上调度监控 系统网络平台和井下 工业 以太 网。 1 工 业 以太 网 的方 案及 目标 该系统 由现场 总 线、 P L C 、 嵌 入式 控制 系 统、 工 业 控制计算机 、 工作站 、 数据库服务器 、 文件服务 器、 网关 设备 、 交换 式 以太 网组 成。系统 以交换式 集 线器或 网 络交换机为中心 ， 包括数据库服务器和文件服务 器 ， 采 用星型拓扑结构。 系统 采用 千兆环形 以太网构建以太网综合 自动化 监 控系统 网络平 台 ， 采用 We b一体 化 的访 问方式及开 发方式 ， 以信息 网站 系统 为核心 ， 集成各 自动化监控子 系统 ， 用户只需要使用一个统一 的平 台就 能管理 、 浏览 各种 E t 常业务工作 。同时千兆环形工业 以太 网也为矿 井今后实现数据 、 视频 、 音频三 网合一提供 了传输 网络 基础。 普 通以太网构成的矿山用局域网很难满足工业 现 场某些方 面的特殊 要求 ， 如本质 安全 、 恶 劣环 境、 可靠 性等。因为普通 型工业 以太 网主要是使通 过 以太 网接 纳带 串行通信 口的现场设 备 ， 达 到数据采 集和监 控 的 目的。以太 网与控制 网络 的集成系统矿 山网络一般包 含处理矿 山管理与决策信息 的信息 网络和处 理矿山现 场实时测控信 息的控制 网络两部分。 因此为 了有效 地 解决上 述 问题 ， 该 工业 以太 网系 统 采用 嵌 入式 I n t e r n e t ， 嵌入式的 I n t e r n e t 就是通过 I n t e m e t ， 使所有连接网 络的设 备彼此互通互 联。 矿山用信息网络一般处于矿山企业中上层， 处理 大量的变化多样的信息 ， 具有高速、 综合的特征。而矿 山用控制 网络 主要位 于企业 中下 层 ， 处理 实时 的现场 信息， 具有协议简单、 容错性强、 安全可靠、 成本低廉等 特征。 因此， 矿山企业网络是控制网络与信息网络的集 }收稿 日期 2 0 1 1 0 31 4 作者简介 李勇 ， 毕业于 中国矿业大学 ， 2 0 1 0届安全工程 学院研究 生， 并多次发表论文。 成 ， 实现集成 、 统一 的企业 网络成为矿 山企业综 合 自动 化与信息化 的努力 目标 。 2工 业 以太 网的特 性 煤矿 自动化 管理 系统包 括有环 境安 全检 测系统 ， 工业 电视监控 系统 ， 信息管理系统 ， 生产设 备 自动控制 系统等系统 。各 种系统 的设备 的接 口有很 多种 类 ， 有 R S一 2 3 2接 口， R S 一 4 8 5接 口， T C P ／ I P网络接 口等各种 各样 的接 口， 但是作为一个统一的系统 ， 必须要 将各种 接 口统 一到一个统一的平 台上 以方便管理 。由于互 联 网的迅猛发展 ， T C P ／ I P网络 已经 渗透 到各 个行 业 ， 现 在市场上 已经有很 多成熟 的、 将各 种接 口统一 转换 到 T C P ／ I P网络上的产品 ， 例 如 串口服 务器可 以将串 口转 换为 网络接 口联 接 T C P ／ I P网络 。但是 由于煤矿外 部 环境 比较复杂 ， 对时间 的实时性要求 比较 高 ， 普通的 以 太 网交换机不能完全满足需求 。 I E S 一 4 2 6 型工业 以太 网交换机 中的 S W R i n g 环 网技术 支持 1 0 0台设备环 网， 冗余 自愈 ， 其 自恢复 时间 小于 3 0 0 m s 。可 以保 证 系统带 有冗 余 ， 而且 在 系统 出 现问题时可以快速的修复问题。其存储转发的传输方 式 ， 系统 交换 带 宽可 以达 到 4 ． 8 G， 支 持 8 K地址 表 功 能 ， 转发速度 可 以达到 1 4 8 8 1 0 p p s ， 从而 可 以保证 整个 以太 网系统快 速有效 的传输数据 。该工业 以太网交换 机的广播风暴 保护功 能 、 继 电器 输 出告 警 功能可 以有 效的抑制 网络风暴 ， 每个 电 口带 有 1 0 0 0 V电磁隔 离保 护， 支持全电口掉线指示 ， 方便发现故障， 保证以太 网 通信的顺畅。通过以上各种技术 ， 工业以太网交换机 可以完 全满足煤矿 自动化管理系统 的对 于通信 的实时 性 ， 高速率及稳定性 的要求 。 为了应对煤矿系统的恶劣外部工作环境， 交换机 外壳采用工业级标准设计 ， 其保护等级为 I P 3 0等级。 其波纹式的外壳设计可以实现充分散热 ， 保证交换机 的稳定运行。交换机 的存储温度为 一4 5～8 5 ℃， 工作 温度为 一 4 0 7 5 ℃， 工作湿度为 1 0～ 9 5 ％ 无凝露 ， 适应 在任何工业环境下正常运行 。其 2 4 V宽压直流输 入 支持 1 8 V～ 3 6 V D C输入 ， 内置电流过流保护功能， 双电源冗余 备份功能 ， 电源告警功 能 下转第 1 1 7页 2 0 1 1 年 第2 期 东 瞧差 舛l救 1 1 7 由于空压机所 配备 的空气 过滤 器过 滤效果 较差 ， 空气含尘量高 ， 尘埃进入气缸后结垢严重 ， 破坏 了无油 润滑正常 的工作条件 ， 使得轴 向问 隙过 小 ， 引起活塞环 热胀堵塞破坏 。 最后 ， 三级 、 四级 排气 温度 、 压力 较 高。三级 缸套 材料 Q T 6 0 2 ， 表 面粗糙 度 大 ， 三 级、 四级气 缸吹 除 阀 设计得不尽 合理 ， 不经常排液 ， 气 缸腔容易 出现不正常 的响声。这 种种原 因 ， 导致 三级 活塞环超 速磨 损尤 为 严重。 2技 术 改进的 措施 1 更换 空 气过 滤器 或增 加 一道 过 滤器 ， 以降低 进入气缸 的空气 的尘 埃 的含量 ， 保证 气 缸正常 的工作 条件 ， 以便填充聚 四氟 乙烯建立 自润滑 薄膜 ， 满足无油 润滑 的要求 。 2 鉴于 2 D 8空 压机 三级 活塞 环磨 损严 重 ， 而且 使用寿命较短 ， 三级 活塞 环的填充材料应 进行改造 在 原 只有玻璃纤 维 的基础上 ， 适 当增 加导 热剂青铜 粉和 石墨粉 、 二硫化钼粉 ， 也可 以使用和 四级 活塞环相 同的 配方 ， 增强 自润滑性 ， 提 高耐磨性 。 据有些资料介 绍 对 一7 0 ℃露 点 以上 的各种含 有 湿度的空气介质 中 ， 填充剂 以“ 碳石 墨” 为好 。活塞 环 配方为填充 1 5 ％玻璃纤维 、 5 ％碳 石墨、 2 0 ％铜粉 ， 值得 借鉴。实践证明 活塞寿命可提高一倍 。 空气湿度过大 ， 气缸镜面易析出冷凝水。为解决 这 个问题 ， 借 鉴了一些行 之有效 的方 法 ， 将级间冷却器 的出水 接入气缸冷 却水 腔进 口处 ， 与温度 低 的循环水 相混合 ， 通过控制 截止 阀的开度 ， 将冷凝水 的 出 口温度 调到恰到好处 。 3 针对 三级 气缸 的工作状 态 ， 气缸 缸套 使用 了 3 G 1 3材料 ， 提高 气缸 的耐磨性 和抗 腐蚀性 ， 在一定 程 度上更容易在摩擦表面上建立起 自润滑薄膜 。 上接 第 1 1 5页 可 以保证 电源在各种工业环境 中稳定 运行 。 矿井用工业 以太 网冗余 环 网还具 有 以下特点 其 数据传输速 率 为 1 0 0 0 M b i t s ／ s ， 能 够 提供 足 够 的带 宽 ， 从而保证数据准确 、 完整 、 快 速 的传输 ， 数 据传 输过程 中冲突少、 延 迟 慢 ， 速 率 快 ； 都采 用 相 同 的 T C P ／ I P协 议 ， I n t e r e n e t 、 I n t r a n e t 及 I n f r a n e t 很 容 易集成 ； 同时采用 交互式 和开放 式的数 据存 取技术 ， 满足不 同矿 山的多 元化要求 ， 灵活 度高 ； 当环 网发生故 障时 ， 系统进 行链 路 自动切换 ， 保证数据在传输过程 中可靠 安全 ， 误传率 大大降低 。 3煤矿 用工 业 以太 网的经 济利 益及前 景 分析 3 ． 1 经济效 益 使用工业 以太 网系统节省 了大量传输线路 和维护 费用 ， 今后新 上 的工 业 电视 及 音频 通讯 ， 无 需 每个 系 统 、 每个 摄像仪都要 自地面向井下敷 设通讯线路 ， 节 约 大量的材 料成本及安装 、 维 护成本 。 3 ． 2社会 安全 效 益 使用工业 以太 网系统 ， 实况 的各 种信 息 系统 有效 地集成起来， 实现了矿井各类信息联通与共享， 各 自动 化子系统实现统一管控， 使信息资源和设备资源能充 分共享 ， 具有很好 的推广前景 。 3 ． 3 前景分 析 系统实现全矿井的数据采集、 生产调度、 决策指挥 的网络化、 信息化、 科学化 ， 提高矿井劳动效率及现代 化管理水平 。 由于各 自动化系统信息共享， WI N C C系统开发的 紧急预案在发生 紧急情 况下 ， 保 证 了各 系统 的联动 和 信息的综 合利用 ， 为领导决策提供了可靠 的依据 。 在煤 矿行业 中应 用千 兆工业 以太 网 ， 千兆交 换 机 下井 ， 为煤矿开 创 了先例 ， 为煤矿信 息化 、 数 字化衷 展 积 累了丰 富的经验 。这将 为中国的煤炭行业 带来翻天 覆地 的变革 。 4结 语 计算机技术及信息 系统的 日益完善为煤矿行业 的 自动化提供 了有 利 的条 件 ， 矿 山 自动化 已成 为热 门话 题 。煤矿用工业 以太 网系统具有操作方便 ， 安 全可靠 ， 成本小 ， 收益大 等 明显 优势 。此 系统在煤 炭生产 中的 广泛应用 ， 不仅减 轻了操作人 员的劳 动强度 ， 而且极 大 地提高了煤矿 的 生产水 平和能力 ， 创造 了 巨大 的经 济 效益和社会 效 益。但 是 ， 随 着微 电子 技 术、 计 算 机技 术 、 软件技术 、 传 感器 技术 和 自动化 技术 的飞快 发展 ， 工业 以太 网系统 还需 进一 步的完 善与改 进 ， 不断 地在 智能化、 自动化、 快捷化等方面进行改革与创新， 为煤 矿行业 的发展贡献力量 。 参考文献 [ 1 ] S I M A T I C Wi n C C V 6 ． 0 使用手册， 北京， 西门子 中国 公司， 2 0 0 4 [ 2 ] 郭彪 ， 刘晓玲．选 矿 自动化 中计算机 的应用探讨 [ J ] 硅谷 ，2 0 1 0， 2 O [ 3 ] 聂光华， 林和荣．选矿厂过程控制的现状及发展前景[ J ] 矿产综 合利用 ， 2 0 0 7， o 5 [ 4 ]阮冬茹 ， 谢东光．工业以太网架构中交换技术的选择[ A ] ． 全 国先进制造技术高层论坛暨制造业自动化、 信息化技术研讨会论文 集 [ C] ， 2 0 0 5 ．