工业以太网在全矿井综合自动化系统中的应用.pdf

第 3期 2 0 0 6年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 3 J U P ． ．2 0 06 ’ ’ ’“ ’ i 技术进步 1 _ _ ， ． ⋯’ 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 3 0 0 3 1 0 3 工业以太网在全矿井综合自动化系统中的应用 陆铮 ， 汪丛 笑 天地科技股份有限公司常州 自动化分公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 阐述 了全矿井综合 自动化 系统在煤矿应用的必要性 ， 介绍 了全矿井综合 自动化 系统的三层体 系结 构及工业 以太网在全矿井综合 自动化 系统中的应用。 关键词 煤矿；自动化 ； 控制；工业以太网；现场总线 中图分类号 T D 6 7 ； T P 3 9 3 文献标识码 B Th e Ap p l i c a t i o n o f Et h e r n e t i n M i n e W i d e I n t e g r a t e d Au t o ma t i o n S y s t e m L U Z h e n g， W ANG C o n g x i a o Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Br a n c h o f Ti a n d i S c i e n c e 8 L Te c h n o l o g y Co ．， L t d ． ， Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t { Th e n e c e s s a r y o f t h e a p p l i c a t i o n o f mi n e wi d e i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m i n c o a l mi n e wa s s u mma r i z e d i n t h e p a p e r ． Th e 3 一 l a y e r s t r u c t u r e o f t h e mi n e wi d e i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m wa s i n t r o d u c e d a n d t h e a p p l i c a t i o n o f Et h e r n e t i n t h e mi n e wi d e i n t e g r a t e d a u t o ma t i o n s y s t e m wa n e x p o u n d e d ． Ke y wo r d s c o a l mi n e ，a u t o ma t i o n，c o n t r o l ，Et h e r n e t ，f i e l d b u s 0 引言 煤炭生产不仅 有地 域广 、 设备多 、 人员分散、 环 境恶劣等特点， 还存在诸多危险因素 ， 如瓦斯 、 一氧 化碳 、 煤尘 、 水、 火 、 冒顶等。多年来 ， 为提高煤炭生 产的安全水平和 自动化水平 ， 已开发应用了煤矿安 全检测系统 、 火灾束管监测系统 、 煤矿生产过程 自动 化系统 包括胶带输送机监控、 通风排水监控 、 电力 检测、 洗煤厂集控等 、 矿用程控调度通信系统、 矿用 工业电视系统以及生产计量 、 销售系统等等。上述系 统大部分是各 自独立地工作。为了更好地发挥煤矿 上各种监测控制系统的作用 ， 协调生产过程中各系统 问的关系， 提高安全生产和管理水平， 开发信息资源 的价值。 必须对上述 系统整合， 进行综合 自动化系统 的集成建设。鉴此， 天地科技股份有限公司常州 自动 化分公司研制推出了全矿井综合 自动化系统。 l 全矿井综合自动化系统简介 全矿井 综合 自动化系统将矿井 环境监控子 系 收藕 日期 2 0 0 6 0 3 一1 0 统 、 各生产环节 自动控制子系统通过高速工业 以太 环网和 自动化平台软件进行整合 ， 通过防火墙 与矿 级管理系统相连 ， 实现了全矿井的管控一体化 。 该系统分为资源管理层 信息层 、 过程控制层 控制层 、 操作执行层 设备层 三层体系结构 ， 系统 结构如图 1所示 。 全矿井综合 自动化系统作为整个矿井安全、 生产 监控系统信息的集成系统 ， 无疑需要一个快速、 安全、 可靠的网络平台为大量的信息流动提供支撑。本文 着重讨论工业 以太网在该系统控制层中的应用。 2 工业以太网在系统控制层 中的应用 2 ． 1 工业 以太 网与现 场 总线 网络 结构的 比较 现场总线是在工业现场运行的、 性能可靠 的、 造 价低廉 的通信系统 ， 能完成现场 自动化设备之 间的 多点数字通信 ， 是 自动化控制领域普遍采用的技术 。 随着用户对信息应用要求的不 断提高， 避免 自动化 系统成为“ 信息孤岛” ， 在早年商用计算机网络技术 不能完全满足工业 自动化要求的情况下 ， 系统集成 维普资讯 3 2 工矿 自动 化 2 0 0 6年 6月 信 息 层 控 制 层 设 备 层 数据库 数据库 We b 视频存储 视频服务器 图 1 全 矿井综合 自动化系统结构示 意图 商普遍采用现场总线来完成信息的集成 。但现场总 线多种技术标准并存、 通信协议间兼容性差 、 总线速 率较低 ， 使其在异构条件下建立应用网络 比较困难 ， 而且 费 用极 高 。 随着以太 网技术 的发展 ， 特别是 高速以太 网的 出现， 使得以太网克服了 自身的缺陷， 进入工业领域 成为工业 以太网。目前 以太 网技术高速发展， 如交 换技术的大量应用 、 全双工传 输、 实时数据 的优 先 级、 带宽 由 1 0 Mb p s到 1 0 0 Mb p s 乃至 1 0 0 0 Mb p s 的升级 ， 很好地解决了以太网存在的不确定性和实 时性欠佳等问题 ， 使得安全与生 产监控信息在工业 以太 网中实时、 安全 、 可靠地传输成为可能。此外 ， 工业 以太 网所采用 的 I E E E 8 0 2 ． 3数据传输协议是 一 个开放的标准 ， 通过该协议可方便地将各种异构 子系统无缝整合到传输系统中， 因此， 近年来无论是 在煤矿还是其它工控领域 ， 控制层都趋 向于采用 工 业 以太网技术来建设 。 工业以太 网与现场 总线两种 网络结构的特性 比 较 如 表 1 所 示 。 表 1 现场总线与以太 网特性 比较 2 ． 2 工 业 以 太 网及 其 应 用 最初的工业以太网 ， 采用 C S MA／ CD碰撞检测 方式 ， 网络负荷较大时 ， 存在着 网络传输不确定性和 实时性能欠佳等问题 当前 ， 工业以太 网发展采用了交换式 以太网技 术 。 基于 1 0 0 M 甚至 1 0 0 0 M 的高速通道 ， 可提供 足够的带宽而减少冲突。同时还可采用环形冗余 的 拓扑结构和具有优先权 的传送机制 ， 使得确定性得 到了保证 。 笔者在对上榆泉 、 屯留等多个煤矿调研后， 估算 出在 1 0 0 M 以太 网络上全矿井综合 自动化 系统信 息流量一般不会超过额定负荷 的 1 2 。 以太网只有 当负载达 4 O 以上时才会有明显的延迟现象。 再者 ， 如台湾 的 MOX A、 德 国的 Hi r s e h ma n等 公司均开发 了 DI N 导轨安装 、 冗余 电源供 电、 耐 高 低温 、 抗 冲击 的工业 以太网交换机系列 ， 为在恶劣工 业环境下应用工业以太网创造了条件 。 工业 以太网还具有以下优点 1 易于与 I n t e r n e t 、 I n t r a n e t 连 接， 可降低 系 统 开发难度 ； 维普资讯 第 3 期 2 0 0 6年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 3 J u n ．2 0 0 6 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 o o 6 0 3 0 0 3 3 --0 4 单片机温度采集器与P C 1 0 4分站的串行通信 张 小鸣 ， 刘 英 江苏工业学院计算机系 ， 江苏 常州 2 1 3 1 6 4 摘要 用 P C 1 0 4 模块组建的矿井变电所采集分站， 具有强大的以太网和C A N总线通信功能。在 P C 1 0 4 模块底板上， 设计 了一个基于 8 9 C 2 0 5 1单片机 的温度采集器， 用 于采集温度传 感器监测值 并通过 串口将该 监测值传送到 P C 1 0 4分站。该设计 简化 了变电所环 境温度 监测 的软 、 硬件 ， 并且 编程简单 ， 充分利 用 了 P C1 0 4的 空 闲 串口资 源 。 关键词 温度采集器；单片机 ；串行通信 ； P C l O 4 中图分类号 T D 6 1 1 ． 2 文献标识码 B 0 引盲 一 种新型的矿用变 电所远程监控系统 由地面工 控主机、 光纤 以太 网主信道、 P C1 0 4分站、 井下高压 防爆开关数字式综合保护器 简称数字综保器 等组 成。其 中， 采用 P C 1 0 4模块作 为数据采集分站 ， 主 要是利用它的以太网接 口完成与地面主机的网络高 速通信， 利用它 的扩展 C AN接 口完 成与数 字综保 器的现场局域网通信。 P C 1 0 4分站一般置于井下采区变电所硐室。在 监测采区变电所硐室的环境 温度 时， 需要另外设计 I ／ O接 口才能将温度传感器信号接入 P C l O 4分站。 考虑到 P C l O 4模块实际应用时， 本身就需要 自行设 计 P C 1 0 4 模块底板来 固定模块 ， 并安排接线端子， 因 此， 笔者直接在底板上设计了一个基于8 9 C 2 0 5 1 收稿日期 2 0 0 6 0 3 1 7 2 克服了现场总线不能与计算机网络技术同 步发展的弊病 ； 3 是 当今最流行 的应用最广泛 的通信 网络 ， 国际上知名的 自动化产品供应商均推出了基于工业 以太网的技术和产品。 因此 ， 全矿井综合 自动化 系统 中确定采用工业 以太网作 为全矿井综合 自动化 控制层的信息传输 网络 。 如图 1所示， 在全 矿井综合 自动化系统的控制 层 ， 建立了一条贯穿于井上井下的高速 以太冗余环 网， 将各现场子系统的主机作为工业控制环 网的一 个 节点， 使各 现场 子系统 统 一整 合 于基 于 TC P ／ 单片机 的温度采集器 ， 通过扩展一个 R S 2 3 2串口与 P C 1 0 4串行 通 信， 把 环 境 温 度 监 测 信 号 传 送 到 P C 1 0 4分站。试验表明该变电所温度监测方案能充 分利用 P C 1 0 4模块 的空 闲串 口资 源， 实现简单， 编 程方便 。 1 单 片 机温度 采集 器 电路 1 ． 1 单 片机 温度采 集 器原理 基于单片机的温度采集器逻辑框图如图 1 所示。 4路频入通过 8选 1数 据开关 7 4 HC 1 5 1接到 8 9 C 2 0 5 1的 I NT 0 ／ ， 当选通 1路作为 I NT 0 ／ 的输入 时 ， 利用单片机 I NTO ／ 信号下降沿触发中断请求的 机理 ， 测量频入信号 1个周期 的时间值就 可估算出 频率值 ， 再利用标度变换公式计算 出温度值 。 8 9 C 2 0 5 1只有 1个全双工 TT L电平异步通信 接 口， 不能直接与 P Cl O 4的标准 R S 2 3 2接 口相连， 因此 图 1 中增 加 1 个 T TLRS 2 3 2 电平 转 换 芯片 I P的以太网中， 通过O P C、 D DE 、 O DB C、 F TP 文件上 传等软件接 口完成各 子系统的信息整合 ， 达到在地 面调度室对全矿井生产及相关环节 的“ 遥控” ， 并与 上层矿级管理系统交换信息 ， 实现 了真正的矿井管 控一体化 。 3 结 语 综上所述 ， 在全矿井综合 自动化系统控制层中 采用工业 以太网作为传输网络 ， 较之现场总线网络 结构 ， 具有无可比拟 的优势。该系统是首个将工业 以太网应用于煤矿井下 的系统， 已在全国各大矿务 局、 煤矿推广应用近 2 O套。 维普资讯