劉婧巖，王玉梅

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 焦作 454000)

礦井電力系統(tǒng)主要為一條進(jìn)線帶多條出線的“干線式”供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同一電壓等級(jí)下串聯(lián)供電級(jí)數(shù)多且線路短，易造成二次電力監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的要求較高[1-6]。此外，隨著煤礦井下電力系統(tǒng)內(nèi)部信息交換量擴(kuò)大，狀態(tài)改變加快，現(xiàn)存礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、抗干擾性、時(shí)鐘同步性和可靠性等方面無(wú)法有力保障礦井電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[7-12]。工業(yè)以太網(wǎng)是改進(jìn)后的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)(Ethernet Control Automation Technology，EtherCAT)作為最新的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，解決了以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?shí)時(shí)性、時(shí)鐘同步等方面有較大的優(yōu)勢(shì)。冗余技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是提高以太網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性的有效手段之一[13-16]。因此本文研究了工業(yè)以太網(wǎng) EtherCAT的冗余控制、熱插拔技術(shù)及故障點(diǎn)快速診斷方法，提出了將EtherCAT通訊技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的方案，利用EtherCAT通訊突破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)在井下數(shù)據(jù)傳輸遇到的瓶頸，并設(shè)計(jì)環(huán)型拓?fù)湎碌逆溌啡哂嗫刂葡到y(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的冗余網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，依據(jù)EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)和煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)，并利用德國(guó)TwinCAT軟件實(shí)時(shí)內(nèi)核，采用PLC編程，最終在WindowsXP操作系統(tǒng)下建立監(jiān)控主站軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)層自動(dòng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備層繼電器驅(qū)動(dòng)控制的過(guò)程。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了加入冗余機(jī)制后，數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性得到了提高。

1 EtherCAT工作原理

1.1 EtherCAT數(shù)據(jù)幀

EtherCAT為一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)，是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，其名稱CAT為控制自動(dòng)化技術(shù)(Control Automation Technology)字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業(yè)以太網(wǎng)，最早由德國(guó)的Beckhoff公司研發(fā)。EtherCAT數(shù)據(jù)幀遵循標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，并采用保留的以太網(wǎng)幀類型0x88a4與其他以太網(wǎng)幀進(jìn)行區(qū)別。EtherCAT數(shù)據(jù)幀包括目的地址、源地址、幀類型、EtherCAT頭、EtherCAT數(shù)據(jù)和幀校驗(yàn)序列FCS。EtherCAT數(shù)據(jù)由2 Byte的數(shù)據(jù)頭和44～1 498 Byte的數(shù)據(jù)組成，其子報(bào)文由子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和工作計(jì)數(shù)器 (Working Counter，WKC)構(gòu)成。子報(bào)文頭包含數(shù)據(jù)幀的尋址方式、讀寫方式、與報(bào)文相對(duì)應(yīng)的從站地址、報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度等信息；數(shù)據(jù)域包含對(duì)應(yīng)從站設(shè)備的數(shù)據(jù)；WKC用來(lái)反映EtherCAT從站正確處理子報(bào)文的次數(shù)。當(dāng)從站正確處理子報(bào)文后，工作計(jì)數(shù)器的值會(huì)自動(dòng)加1，主站通過(guò)比較預(yù)期的WKC值和返回的WKC值判斷子報(bào)文是否完全被各從站正確處理，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EtherCAT數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)Figure 1. Data frame structure of EtherCAT

1.2 EtherCAT通信原理

EtherCAT主站設(shè)備可以是PC也可以是嵌入式平臺(tái)，從站是由多個(gè)協(xié)議控制單元(EtherCAT Slave Controller，ESC)和與其連接的微處理器組成。主從設(shè)備之間通過(guò)主從介質(zhì)訪問(wèn)控制(Media Access Control，MAC)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。設(shè)備通過(guò)ESC同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息，并且主站一般情況下只連接第一個(gè)從站(在設(shè)置冗余模式時(shí)，最后一個(gè)從站與主站連接，形成冗余環(huán)網(wǎng))。在數(shù)據(jù)幀被傳遞的過(guò)程中，從站會(huì)識(shí)別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過(guò)程通過(guò)從站控制器的硬件完成，延遲達(dá)ns級(jí)，而且不受協(xié)議棧程序的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境和相關(guān)CPU處理性能影響。主、從站通信過(guò)程如圖2所示。

圖2 EtherCAT主從通信過(guò)程Figure 2. Master-slave communication process of EtherCAT

2 EtherCAT冗余技術(shù)

2.1 EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性是煤礦井下供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保證。EtherCAT通信技術(shù)支持熱備份冗余功能。本文中，EtherCAT采用電纜冗余的方式。所謂電纜冗余就是當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某一條通路(物理鏈路)中斷時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還經(jīng)由其他的網(wǎng)絡(luò)通路(物理鏈路)來(lái)傳遞信息。增加EtherCAT網(wǎng)絡(luò)冗余的代價(jià)不高，只需要在主站的設(shè)備端口添加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口(不需要專用的網(wǎng)卡或者接口)和一根通訊電纜，連接方式由線性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可。當(dāng)主站網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)線路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生通信故障時(shí)，僅需一個(gè)通信周期即可完成通信線路的切換，保證了正常的通信功能。將其作為煤礦井下高壓綜合保護(hù)器的通信協(xié)議，可提高煤礦井下供電系統(tǒng)系統(tǒng)的可靠性。圖3和圖4分別為無(wú)冗余結(jié)構(gòu)和有冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)。

圖3 無(wú)冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)Figure 3. EtherCAT communication network without redundant structure

圖4 有冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)Figure 4. EtherCAT communication network with redundant structure

通過(guò)對(duì)比圖3和圖4可以看出，無(wú)冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)在某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)通信故障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)及其之后的節(jié)點(diǎn)均不能正常工作，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。有冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)則能迅速地依靠冗余通信線路恢復(fù)正常通信，其可靠性明顯高于無(wú)冗余結(jié)構(gòu)的EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 冗余幀傳播機(jī)制

EtherCAT通信技術(shù)支持熱備份冗余功能，當(dāng)主站網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)線路或節(jié)點(diǎn)發(fā)生通信故障時(shí)，僅需循環(huán)觸發(fā)通信周期就可以恢復(fù)通信，保證網(wǎng)絡(luò)正常的通信功能。EtherCAT冗余設(shè)計(jì)如圖5所示，主站裝有DMA主副網(wǎng)卡，分別攜帶網(wǎng)口A和網(wǎng)口B。

圖5 EtherCAT冗余技術(shù)Figure 5. EtherCAT redundancy technology

圖5中分析了通信正常工作與發(fā)生不同故障時(shí)的冗余作用：(1)正常情況(A→B)下，A口發(fā)送數(shù)據(jù)幀，遍歷從站節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)B口接收，(B→A)情況相同；(2)網(wǎng)口故障。A口故障時(shí)，數(shù)據(jù)幀經(jīng)由B口發(fā)出，反向傳輸給首個(gè)從站節(jié)點(diǎn)，然后以原網(wǎng)路回環(huán)。經(jīng)B口接收后，進(jìn)接收隊(duì)列；B口故障時(shí)，數(shù)據(jù)幀幀交由A口傳輸，至末從站節(jié)點(diǎn)，以原網(wǎng)路環(huán)回，經(jīng)A口接收后，完成傳輸；(3)網(wǎng)路故障(熱插拔)。假設(shè)從站k-1與從站k之間傳輸介質(zhì)故障，則數(shù)據(jù)幀由A口發(fā)出，輸至從站k-1處回環(huán)，經(jīng)A口接收，再通過(guò)B口發(fā)送出，從反方向遍歷至從站k處回環(huán)，最后由B口接收，完成傳輸；(4)從站節(jié)點(diǎn)故障。假設(shè)從站k通信故障，則數(shù)據(jù)幀經(jīng)A口發(fā)出，輸至從站k出回環(huán)，經(jīng)A口接收，在通過(guò)B口發(fā)出，從反方向遍歷至從站k處回環(huán)，最后由B口接收，完成傳輸。在礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)需求高穩(wěn)定性的前提下，EtherCAT通信冗余可以較好地解決通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建基于EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下三級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)和“一主多從”的二次監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)物圖如圖6和圖7所示。其中站域保護(hù)裝置選用德國(guó)倍福公司的CX1030系列的PLC 控制器。該控制器由兩個(gè)以太網(wǎng)RJ45接口，輸入模塊由倍福公司的EL3104模擬量輸入模塊和EL1008開(kāi)關(guān)量輸入模塊組成，分別用于采集系統(tǒng)中的電氣量和狀態(tài)量。輸出模塊選用倍福公司的EL2008開(kāi)關(guān)量輸出模塊，用于驅(qū)動(dòng)斷路器的分合閘操作，JQX-13F繼電器充當(dāng)斷路器。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖 Figure 6. Overall structure of the experimental platform

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體實(shí)物圖Figure 7. Overall physical diagram of the experimental platform

整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)選用裝有倍福公司TwinCAT 軟件的C5102-0030工業(yè)控制機(jī)(TwinCAT是倍福公司的一個(gè)軟PLC開(kāi)發(fā)環(huán)境和平臺(tái))。整個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)中的PLC控制器與工控機(jī)之間采用EtherCAT通信。冗余時(shí)主站要求有第二個(gè)網(wǎng)卡，CX1020前面的兩個(gè)RJ45口不能用作冗余，但CX50xx的網(wǎng)口可以。IPC上面如果只有兩個(gè)網(wǎng)卡，則采用Windows XPe操作系統(tǒng)，以便本地編程。

在準(zhǔn)備工作中，需要先斷Slave網(wǎng)卡的網(wǎng)線連接。然后，在TwinCAT監(jiān)控系統(tǒng)中使得基于EtherCAT的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)具有冗余網(wǎng)絡(luò)。具體步驟如下：

步驟1在TwinCAT監(jiān)控軟件中新建TwinCAT System Manager和I/O-Configuration 。在I/O Devices中添加Devices 1 (EtherCAT)，并在EtherCAT中對(duì)添加advanved address；

步驟2在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中對(duì)MAC Address進(jìn)行搜尋；

步驟3在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中對(duì)Description:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。將Device Name設(shè)置為：/DEVICE/{D585D49E-D5BD-4598-AA7B-57D9ADCD784C}，并將IP Address設(shè)為主機(jī)IP 地址；

步驟4激活配置；

步驟5連接Slave網(wǎng)卡的網(wǎng)線。

PC主站程序中發(fā)送的數(shù)據(jù)由其發(fā)送計(jì)數(shù)器Send-Counter記錄其發(fā)送的周期幀數(shù)，測(cè)試從站程序所接收到的主站發(fā)送的數(shù)據(jù)周期幀數(shù)量，由其中的接收計(jì)數(shù)器Recv-Counter進(jìn)行計(jì)數(shù)。記錄時(shí)間段的總丟幀數(shù)即為Send-Counter與Recv-Counter的差值。

首先設(shè)置一個(gè)通訊周期為30 ms，并初始化Send-Counter與Recv-Counter；啟動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間為1 min，并在此期間隨機(jī)的模擬單點(diǎn)故障與熱插拔，如拔線、節(jié)點(diǎn)斷電、節(jié)點(diǎn)移除及插入等；最后讀取Send-Counter與Recv-Counter的數(shù)據(jù)并計(jì)算丟幀數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)送計(jì)數(shù)器與接收計(jì)數(shù)器差值為0，確認(rèn)未發(fā)生丟幀。

當(dāng)供電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，各從站將檢測(cè)到的故障信息通過(guò)EtherCAT通訊上傳至監(jiān)控主站，監(jiān)控主站對(duì)故障信息進(jìn)行綜合判斷，而后主站向?qū)?yīng)的從站發(fā)送允許動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器跳閘。若為無(wú)冗余網(wǎng)絡(luò)，從站間發(fā)生短路故障繼電器跳閘后，其后的從站將無(wú)法進(jìn)行正常通信。若為有冗余網(wǎng)絡(luò)，故障切除后一個(gè)通信周期，將會(huì)恢復(fù)通信。

實(shí)驗(yàn)中將三級(jí)供電系統(tǒng)中第三級(jí)從站依次命名為31、32和33，并在從站32、33間模擬短路實(shí)驗(yàn)。按下模擬短路按鈕后，監(jiān)控主站判別結(jié)果如圖8所示。圖中，監(jiān)控主站的判斷結(jié)果為ACT32=1，即監(jiān)控主站向?qū)?yīng)的從站32發(fā)送允許動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器跳閘，此時(shí)從站33處于無(wú)通信狀態(tài)。故障切除后，由于冗余系統(tǒng)通信，監(jiān)測(cè)到從站33中通信恢復(fù)正常，如圖9所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)迅速恢復(fù)正?？刂?，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提高。

圖8 主站判別結(jié)果圖Figure 8. Master station discrimination results

圖9 從站33監(jiān)測(cè)圖Figure 9. Slave station 33 monitoring diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)EtherCAT的工作原理、通信網(wǎng)絡(luò)以及其冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析設(shè)計(jì)了基于EtherCAT通訊的井下電力監(jiān)控系統(tǒng)冗余網(wǎng)絡(luò)，為監(jiān)控井下電力系統(tǒng)提供了一種雙向數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，并選用裝有 TwinCAT 軟件的工業(yè)控制機(jī)，搭建了以PC計(jì)算機(jī)作為主站的基于EtherCAT通信網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下三級(jí)供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；贓therCAT通信網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)在增加網(wǎng)絡(luò)冗余時(shí)，只需要在主站的設(shè)備端口添加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)端口和一根通訊電纜。冗余技術(shù)的加入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下高性能工業(yè)控制系統(tǒng)線路故障冗余和熱插拔任務(wù)要求，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可維護(hù)性。