工业以太网在煤矿膏体充填系统中的应用.pdf

第 4期 2 0 0 6年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i on NO． 4 Au g ． 2 0 0 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 6 0 4 0 0 4 0 0 4 工业以太网在煤矿膏体充填系统中的应用 吴利波 ， 严 德 昆 ， 闫莉 莉 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针 对煤 矿 井下充填 系统特 点和控 制 层 及 管理 层 对 信 息 开放 性 的 需求 ， 设 计 了工 业 以 太 网控 制 方 案。文章简要介绍了煤矿综合 自动化控制 系统和膏体充填 系统的工艺流程 ， 重点说 明了工业以太网控制 方 案在 井下 充填 系统 中硬 、 软 件 的具体 实现 ； 对工 业 以太 网的 实时性进 行 了必要 的分 析 ， 并给 出了结论 。 关键 词 煤 矿 ；膏体 充填 ；工业 以太 网；综 合 自动化 中 图分类 号 T D 6 7 9 文献标 识码 B Th e Ap p l i c a t i o n o f I nd u s t r i a l Et he r n e t i n Pa s t e f i l l i ng S ys t e m o f Co a l M i n e W U I i b o， YAN De kun， YAN L卜1 i Col l e ge o f I nf or ma t i on a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g of CUM T．，Xu z hou 22 1 0 08，Chi na Ab s t r a c t Ac c or di n g t o t h e f e a t u r e s o f pa s t e f i l l i ng c on t r ol s y s t e m a n d t h e r e qu i r e me nt o f t h e o p e ni n g i n f o r m a t i o n by c o n t r ol l a y a n d m a na g i n g l a y，a n i nd us t r i a l Et he r ne t c on t r o l s c he m e wa s d e s i g ne d 。 The pa p e r ga ve a br i e f i nt r o du c t i o n on mi ne i nt e g r a t e d a u t o ma t i o n c o n t r ol s y s t e m a nd t e c h no l o gi c a l f l o w of pa s t e f i l l i ng c o nt r o l s ys t e m ，a nd i t f oc u s e d on t he r e a l i z a t i o n of i ndu s t r i a l Et h e r ne t c o nt r o l s c he me i n ha r d wa r e a nd s o f t wa r e o f p a s t e f i l l i n g s y s t e m i n un de r gr ou d mi n e ．I t ma d e a ne c e s s a r y a na l ys i s a b ou t t he p e r f or ma nc e o f t he s ys t e m a nd ga v e t h e c o nc l u s i on ． Ke y wo r d s c o a l m i ne，p a s t e f i l l i ng，i n dus t r i a l Et h e r ne t ，i n t e g r a t e d a ut oma t i on 收稿 日期 2 0 0 6 一o 4 1 2 0J l -g 作者简介 吴利波 。 卜 ， 男, 2 0 0 4 年毕业于武汉理工大学， 所谓 工 业 以太 网 ， 一 般 来讲 是 指 在 协议 上 遵 循 学士学位 ， 现为中国矿业 大学信 电学院硕士研究生。 图 2 矿用工业 以太 网交换机应用方案 业 务数字网 ， 真正做到了将宽带通信和控制技术延 伸至井下， 实现了地面宽带网与井下通信网的无缝连 接 ， 彻底改变了矿井原有监测监控系统通信速率低 、 各种系统互不兼容的局面， 实现了高速、 宽带、 统一的 综合业务数字网络平台， 为井下监测监控系统 的网络 化、 信息化和全矿实现综合 自动化铺平了道路。 参考文献 [ 1 ] 1- 2 3 [- 3 3 太 网协议 ， 首次实现了在煤矿井下建立宽带 的综合 [ ] 刘富强．矿井 多媒 体综合 业务 数字 网 MI S D N 网络 结构研究[ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 3 3 ． 煤炭工业部安 全司．矿井安全监 控原 理与应用 [ M] ． 北京 中国矿业大学 出版社 ． 1 9 9 6 ． 陈积明 ， 王智 ， 孙优 贤．工业 以太 网的研 究现状 及 展望[ J ] ．化工 自动化及仪表 。 2 0 0 1 6 ． 林铭锻 ． 吴安定．以 太 网在 小 型 控制 系统 中 的 应用 [ J ] ．自动化仪表 ． 2 0 0 1 6 ． 维普资讯 2 0 0 6年第 4期 吴利波等 工业以太网在煤矿膏体充填 系统 中的应用 4 1 I E E E 8 0 2 ． 3标准， 但在产品设计时 ， 在材质的选用 、 产品的强度 、 适用性 以及实时性 、 可互操作性 、 可靠 性 、 抗干扰性 和本质安全等方面能满足工业现场需 要的一种以太网 ] 。尽管控制界对以太网的实时性 方 面还有 很 多疑虑 ， 但 是 ， 已经 有很 多公 司开 发这 类 产 品 ， 且 有大 量 的实际 应用 。 膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、 粉煤灰 、 工 业炉渣、 劣质土 、 城市固体垃圾等在地面加工成一定 颗粒大小的粉状 固体填料，然后与结胶料 、 水按一 定 比例混合搅拌成膏体 ， 再采用充填泵加压 ，通过 管道输送到井下采空区， 形成以膏体充填体为主的 上覆岩层的支撑体系 ， 有效控制地表沉陷在建筑物 允许 值 范 围内 ，实现 村 庄不 搬 迁 ，安 全 开 采建 筑 物 下压煤 ， 保护矿区生态环境和地下水资源 ] 。 正是基于这样 的背景 ， 笔者利用工业 以太网设 计了煤矿井下充填系统， 以工业 以太 网代替传统 的 总线传输充填系统中需要采集的各种信息以及各种 控制信号。 1 工业 以太 网的 实 时性 问题 以太 网设计 的初衷是用于办公 自动化 ， 由于采 用 C S MA／ C D介质 访 问协议 ， 以太 网不 可 避 免地 带 有不确定性 ， 也就是实时性无法保证。这种不确定 延时在普通的办公室网络中无关紧要， 但是如果用 于工业控制领域， 就必须改善这一问题 ， 因为工业控 制场合对信号的延时有一定 的要求 ， 某些运动控制 系统对信 号响应 的延时要求甚至小于 1 ms 【 3 ] 。随 着以太网技术的不断进步 ， 以太 网通信响应 的实时 性可以通过以下方法予以保证 1 采用 交换式 以太 网 众所周知， 只有 当采用信道共享机制且有两个 或两个以上节点 同时向该共享信道上发送数据时才 会 出现 冲突 ， 这也是 冲 突域产 生 的根 本原 因 。因此 ， 为了克服这一缺点 ， 只要想办法消除冲突域就可以 了。交换机 的出现为解决这 一问题提供 了理想 的 办 法 。 虽然从物理结构看 ， 采用交换机 的以太 网系统 仍然是星型结构 ， 但实际上各端 口在逻辑上 已经被 隔离。也就是说 ， 从逻辑上看， 各个节点是独享信道 的， 各端口的信息流是 被隔离的。在 以交换机 为基 础 的以太 网 系统 中 ， 冲突域 被 限制在 单个节 点 以 内 ， 不同节点同时发送数据帧时不会发生碰撞 ， 由于冲 突而产生的通信延时不确定性 已经不复存在。 2 降低网络负荷 实 际应用 经验表 明 ， 对于 共享 式 以太 网来说 ， 当 通信负荷在 2 5 9 ／ 6 以下时， 可以保证通信畅通。当通 信负荷 在 5 9 ／ 6 左 右时 ， 网络 上碰 撞 的概率 几 乎 为 零 ] 。文献E 5 3 指出， 在 2 5 9 ／ 6负荷 以下时 ， 以太网通 信性能比令牌网还要好。所 以， 降低 网络负荷也不 失为提高以太网实时性的一个好方法 。而且 ， 在 工 业控制领域 ， 每个节点传送的实时数据量本来就不 多， 只要合理地限制每个网段的节点数 目， 就能有效 地控制好网络流量 ， 达到降低负荷的 目的。 3 提高网络传输速度 通信速率 的提高可以显著地增加网络的负荷能 力以及缩短网络传输延时。目前 1 0 M／ 1 0 0 M 的以 太网设 备应 用 已经相 当广 泛 ， 技 术 也十 分成 熟 ， 1 0 0 0 M 以太 网在骨 干 网 中 已得 到 了普 遍 应 用 ， 很 多地 方还 出现 了 1 O G 以太 网 的概 念 和应 用 。相 比 之下 ， 现场总线 的传输速率不过为 1 M、 2 M。西门 子的高速 P r o f i b u s 也不过 ．1 2 M， 这样的速度对于工 业数据的传输 已经绰绰有余 。所 以， 以太 网传输速 度的提高是增强通信实时性的又一个有效保障。 基于以上各方面因素的考虑 ， 有理 由认为将工 业 以太 网用在煤矿膏体充填系统 中是可行的。膏体 充填系统属于过程控制 ， 其实时性要求不如高速运 动控制那样苛刻； 系统的信号传输负荷也不高， 使用 1 0 0 M 以太网足够应付； 选用交换机， 使各节点的冲 突域隔离 ， 让各 网段独享带宽 。这一 系列措施都 可 以让系统 的实时性满足要求。 2 膏体充填 系统在采煤监控 系统 中的位置 传统的煤矿开采系统 ， 各子系统都是相互独立 的， 难以直接建立有效的通信， 不利于生产调度的合 理协 调 。因而 ， 近几 年 很 多煤 矿相 关 科 研 机 构都 进 行了相应的研发工作 ， 并开发了一 系列矿井综合 自 动化监控系统以消除信息孤岛。图 1 是使用工业以 太网实现矿井综合 自动化的网络拓扑图。 [ n t e me t 卜 L ． 一信息管理系统及查询终端 选煤厂控制系统 供电监控系统 充填控制系统 以太环 网 厂 以 其它附属监控系统 图 1 矿井综合 自动化监控系统网络拓扑 图 一一一一一一一 维普资讯 4 2 工矿 自动 化 2 0 0 6年 8月 各子系统由以太网实现无缝连接。子网内部各设 备之间也用以太网或以太网与其它信号线结合的方式 相互连接 。本文 中设 计的膏体充填系统也在其 中。 尽管 膏体充 填 系统 目前还 没有 在煤 矿开 采 系统 中广泛地使用 ， 但是这项技术的正确使用， 不仅会有 效地控制地表沉陷， 并可在此基础上提高单位面积 的煤矿 产量 。 3 膏体充填工艺流程和设备简介 膏体充 填 系 统 的 主 要 机 械 设 备 上 料 机 、 搅 拌 桶、 搅拌机 、 充填泵等。工艺流程如图 2所示 。 水 图 2膏体充填工艺流程图 充 填膏体 是 由充 填 材 料 和结 胶 料 混 合 而 成 ， 结 胶 料 与水混 合成 结胶 剂 再 和充 填 材料 搅 拌 均 匀 ， 经 由充 填泵打 人井 下采 空 区 。 口 研华工控机 I 膏体充填控制计算机 l口 l 苗 研华工控机 2 客户机 接以太环 网 I I 4 膏体充填监控 系统设计方案 4 ． 1 硬 件 配 置 膏体充填系统需要采集监视充填管道内膏体的 流量、 压差、 密度信 号， 同时还有上料机和搅拌桶的 称重信号、 各个阀门、 电动机的开关信号， 发出的控 制信号主要是阀门和电动机的开关控制信号。组成 该系统的计算机监控网络结构图如图 3所示。 充填系统由 1台研华工控机控制 ， 另外还增加 1台计 算机作为办公室客户机 ， 方便上层管理人员 随时了解工作状况和信息查询 ， 同时将其设为历史 记 录服 务器存 储各 种 历史数 据 以备查 询 。数据 采集 模 块选 用 的是研 华 AD AM 亚 当 4 0 0 0系列分 布式 智 能 I O模块 。其 中 AD AM4 0 1 7 是 1 6位 8通道 双端模拟输入模块 ， 用来采集流量 、 压力、 密度 等模 拟量 ； AD AM4 0 5 5是 1 6通 道 隔 离式 数 字 输 入 输 出 模块 ， 提供 8路数字输入和 8 路数字输出， 用来采集 阀门和电动机 的开关状态 以及发送相应 的控制信 息。以上模 块都 支持 Mo d b u s协 议。AD AM4 5 7 2 是以太网到 Mo d b u s的网关模块， 它是整个通信网 络的关键 ， 底 层传感器 的信号 到达 AD AM4 0 1 7 、 ADAM4 0 5 5后 ， 通 过 AD AM4 5 7 2网 关 模 块 才 能 传 到基于 TC P ／ I P协议 的以太网上。同样计算机的控 制信号也必须经过 AD AM4 5 7 2 才能送到现场。 I ＼ A 4D5A7 2M ／ 、 亚当网关模块 现场 亚当 4 0 0 0系列分布式 智能 l O模块 R S 4 8 5 信号线 ● ●⋯ 图 3 计算机 监控 网络结构 图 A DAM4 5 7 2可 以 通 过 网线 交 叉 线 直 接 连接 到工控机的网卡上， 但 是考虑到还要 与其它计算机 A DA M 4 055 A DA， 405 5 ADAM 40l 7 ， 一 、＼ ADAM 4 0l 7 阀门状态信号 阀门状态信号 5 机状 态信号 5 通信并接入环形 以太 网， 增加 了 1台交换机设备。 值得注意的是 ， 这里使用 的网线和交换机都必须符 ⋯ 一 ；一 圈 一 圈 一 一 维普资讯 2 0 0 6年第 4期 吴利波等 工业以太网在煤矿膏体充填 系统中的应用 4 3 合工业现场环境的要求。由于煤矿井下充填工作现 场有 多 台大功 率 电动 机 ， 甚 至还 有 变频设 备 ， 因而 产 生 的 电磁干扰 相 当严 重 ， 网线 选 用 了工业 级 的屏 蔽 双绞线 ， 接 口部件和线体本身都有相当程度 的抗拉 强度 ， 足 以满 足 现 场 恶劣 的环 境 。交 换 机 选 用 的是 德 国赫斯 曼工业 交换 机 R S 2 一T X／ TX。 4 ． 2软 件组 态 组态软件选用 国产工业 自动化通用组态软件组 态王 6 ． 5 。该组态软件功能强大 ， 提供丰富的图库、 完善的报表系统 、 多种趋势曲线和报警系统等功能； 支持 D D E、 S QI 和 OP C通信， 还具 备网络功能和 We b发布功能； 采用窗 口界面， 全 中文环境 ， 使用相 当方便 。 使用组态王 6 ． 5对系统进行组态的过程相对来 说 比较 简单 。主 要 分 为 以 下几 个 步骤 1 定 义设 备； 2 定义数据变量并设置相关属性； 3 创建用 户 窗 口画面并 建 立 相应 的动 画 连 接 ； 4 根 据 工 艺 要求编写事件命令语言； 5 编制趋势曲线和报表 ； 6 网络配 置 ； 7 检验 排错 ， 进一 步完 善 。 其 中第 1 、 2 步和 第 6 步 是难 点 ， 稍 微 不 注 意就会出现通信故障 。具体说明如下 A DAM4 5 7 2模块 比较 特殊 ， 它 的数 据不 是 从工 控机的 P C I 、 I S A总线或 串行端 口进入 ， 而是通过网 卡采入 ， 这就无法使用组态王固有的硬件支持功能。 组态王要访 问 A D AM4 5 7 2传输来 的数据必须使用 O P C通信功能。AD A M 模块有多种 O P C S e r v e r以 支持不同 AD A M 模块和组态软件的 O P C通信。安 装 好 A D A M O P C Sev e r 后 ， 在组态 王 中定 义 O P C设 备时一定要选择 Mo d b u s T C P OP C S e r v e r ， 错误 的 选 择 会导致 数据 无 法 正 确显 示 ， 而且 即使 选 错 了 O P C Ser v e r ， 系统也不会有任何提示 ， 为以后的排错造成一 定的困难。在定义变量时很容易出错的就是原始值 和工程 值 的转换 问题 。因为 A DA M 模 块 的 O P C Ser v e r 也提供了输入范围转换功能， 所以很可能会重 复使用 O P C Ser v e r 和组态 王的输入值范 围转换功 能， 这也会导致组态王显示值不正确。因而， 两者一 定要协调好。另外 ， 原始值也根据使用产品的不同而 不同。例如 ， 同样作为研华产品的 P C I 系列数据采 集板， 其原始值是数字量， 即根据转换精度计算 出的 二进制数 ； 而 A D AM 分布式智能 I O模块的原始值 却是模拟量， 即实际输入的电压、 电流值 。以上的任 何一步有差错都会造成数据无法正常采集， 给后续 工作 带 来很 大的麻 烦 ， 一 定要 相 当留意 。 网络配置是保证网络上各台计算机正常通信 的 关键。尤其是本系统 中功能分散在 2台计算机上 ， 如果无法正常通信可能会对整个系统的运作有一定 的影 响 。 进行 网络 配置 首先 要保证 每 台计算 机 上都绑 定 TC P ／ I P协议 。各 计算 机在 组 态 王环 境 下 建立 的工 程 所在 文件夹 一 定要完 全共 享 。节点 类型 按如下 方 式配 置 膏体 充 填 控 制 计 算 机 设 为 I O 服 务 器 ； 2台计算 机都 设 为报 警 服 务 器 ； 第 2台计 算 机 设 为 历史记录服务器； 2台中选 1台且 只能选 1台作为 登陆服务器， 这里选 膏体充填控制计算 机作为登陆 服 务器 。服 务器配 置好 后 ， 进行 客户 配置 ， 建议 所有 的计算机都设置成客户 ， 即每台计算机既作 为其它 计算机的服务器 ， 又作为其它计算机的客户， 这样就 方便 各站 点随 时 了解 其它 站点 的情 况 。硬件 安装 和 组态 完毕 后 ， 系统就 可 以投 入试 运行 了。 5 结 语 现在的工业以太网已经在很大程度上摆脱了传 统 以太网技术的束缚 ， 工业 以太 网正以越来越快的 步伐进入各类控制领域 。笔者也是在经过仔细分析 和慎重考虑后设计将其应用在煤矿膏体充填系统的 监控 中。因此本 文对 于推 广工业 以太 网在实 际工业 控 制领域 中的应用 有一定 的 实际意 义 。 参考 文献 [ 1 ] 王 容莉 ， 雷斌． 工业 以太 网技 术的现 状 与发展 [ J ] ． 自动化博览 ， 2 0 0 4 4 6 3 ～6 5 ． [ 2 ] 周华强， 侯朝炯 ， 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