現場總線與工業以太網應用於煤礦綜合監控係統的探討
張宏福(煤炭科學研究總院撫順分院,遼寧撫順113122)
摘 要:介紹了實現基於現場總線與工業以太網的綜合監控係統的一種設計方案;討論了本設計產生的背景,並給出係統的總體設計,解釋了網關的協議轉換方法,並對軟硬件配置作了簡單的介紹。
關鍵詞:現場總線;透明式網關;控製器;係統;協議中圖分類號:TD76 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)06-0055-02
我國自主研製的安全生產監測監控係統對改善我國煤礦安全生產狀況發揮了積極的作用,但隨著係統的推廣應用和擴展,現有係統已經暴露出了技術上的種種不足,我國煤礦使用的大部分監控係統基本屬封閉係統,不同監控係統的相互兼容性已成為煤礦安全監控技術發展的“瓶頸”問題,嚴重阻礙了煤炭工業的信息化和網絡化進程。煤礦使用的多種監測、監控或監視子係統,主要分布在礦山的各個環節,形成了多個“信息孤島”。為了提高礦山的安全生產管理水平和降低生產成本,迫切需要將這些子係統集成起來。因此急需開展礦井安全生產的綜合監測監控及網絡化管理技術研究。
1 係統結構
煤礦信息集成平台作為符合煤礦工業環境和生產過程特點需要的各子係統普遍適用的集成監控網絡平台,是構成煤礦綜合信息化的基礎。采取基於現場總線和工業以太網的井下計算機監控平台,通過網關將安全生產監控係統、井下人員定位係統、工業電視監視係統、井下電網監測係統、頂板監測係統等多種井下子係統與信息集成平台實現無縫連接。
通過設計各種接入網關將各種子係統的數據包經過協議轉換後變成IP包在網絡上傳輸實現信息的集成。係統的連接示意圖如圖1所示。
係統總體結構分為3部分:現場測控網絡或各種監測監控子係統、嵌入式透明網關、以太網信息管理層。在井下煤礦安全生產自動化監測、監控和管理係統中,直接與管理層相連的主幹網絡為以太網,而直接與現場設備相連的支路網絡為現場總線。現場總線與以太網是采用不同通信協議的兩種異構網絡。實現二者之間的通信,需要在不同的協議之間進行轉換,這樣需通過網關來完成。網關又被稱為網間協議變換器,用於連接采用不同通信協議的網絡,實現網絡之間的數據傳輸。當一組信息要求從一個網段發送到另一個網段時,網關需要完成對該信息的接收、翻譯和轉發工作。
要實現協議轉換,網關必須具備它所要連接的不同網絡的協議包。由於TCP/IP協議包需要較大的存儲空間。大多數情況用PC機來充當網關。但在礦井井下等特殊環境下使用PC機不方便,故選用在MCU/MPU嵌入式係統中實現網關功能。我們可以采用一種透明式網關方式,即在以太網應用層構建和解析完整的總線協議數據包,總線協議數據包作為TCP/IP網絡應用層的數據進行傳輸,它對通信數據的具體實際意義不做任何解釋。
2 透明式網關設計
透明式網關硬件結構核心由3部分組成,微控製器、總線控製器和以太網控製器,其中微控製器為核心,主要負責通信調度和協議數據處理,實現總線控製網絡與以太網之間的協議轉換。網關的軟件設計也可以分為3部分:總線設備接口通信程序、透明網關協議轉換程序和以太網層應用程序設計。其中核心程序是透明網關協議轉換程序,該程序的大體設計思路為:當以太網應用層有數據要發送到總線節點時,首先,數據發送到網關由以太網控製器協議轉換模塊從傳輸層數據報文中解析出完整的總線協議數據包,存放在數據緩衝區A再通知控製和調度模塊,由它調用總線控製器協議模塊將總線協議數據包發送到總線上。反過來,當總線設備有數據要發送到用戶層時,首先,數據發送到網關由總線控製器協議模塊將完整的總線協議數據包存放在數據緩衝區B再通知控製和調度模塊,由它調用以太網控製器協議轉換模塊將完整的總線協議數據包作為應用層數據封裝起來,再發送到以太網的應用層。程序結構如圖2所示。
以太網信息管理層的控製指令發送到透明網關,將TCP/IP協議包數據轉換為總線協議形式發送至總線控製網絡中的指定設備節點,完成信息管理層對現場設備層的控製。同樣地,當總線網絡上的設備數據(如采樣數據或報警、控製信息)要傳輸到信息管理層時,可將數據發送到透明網關,再通過網關協議轉換程序將總線協議數據封裝成TCP/IP協議的以太網數據幀發送至以太網上的監控管理計算機。
3 現場總線網絡設備接口設計
總線網絡設備接口設計較網關設計簡單,它是在完成設備功能的基礎上加入一個通信控製器接口芯片,實現與總線網絡的連接。考慮到開發成本和靈活性,在設計中可選用獨立的通信控製器芯片和總線收發器芯片。控製器協議轉換模塊程序主要由寄存器讀程序、寫程序、初始化程序、發送程序和接收程序等組成。
4 結 語
現場總線技術的采用大大擴展了現有係統的功能,然而隨著煤礦規模化生產程度的提高,礦井範圍越來越大,高科技的應用需求快速發展要求通訊網絡有較大的傳輸帶寬,數據傳輸類型也由原來的數據通信發展到視頻語言等多媒體通訊,受通信距離和帶寬的限製,顯然無論哪一種現場總線都無法完成這些應用需要,所以完善的解決方案是充分利用各種優勢將工業以太網引到煤礦井下與現場總線有機集成,建立先進的基於工業以太網和現場總線的數字煤礦安全生產實時監測監控係統。從而實現全礦井的數字化。
作者簡介:張宏福(1972-),男,1994年畢業於山東礦業學院機電工程專業,現在煤炭科學研究總院撫順分院從事安全監控與安全儀表研發與工程服務工作,曾發表論文多篇。
·國外煤礦安全信息·
地震勘探資料標出煤岩層構造變動帶變位達10~
業,並且保證的勞動安全。該方法在克拉斯諾利滿斯克礦井取得很好的效果。
摘自 《УГОЛЬУКРАИНЫ》 2005 No.9
