基于以太网的嵌入式煤矿井下电力安全监控系统研究.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第 l 2期 基于以太网的嵌入式煤矿井下 电力安全监控 系统研 究 伍 龙 ，吴永祥 ，邢 丽坤 ( 1 淮南师范学院，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ；2 安徽理工大学 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ) 摘要：文章介绍 了利用嵌入式监控分站作为中继站 ，智能电力装置面向现场设备进行 实时 数据采集，形成基于以太网的嵌入式煤矿井下电力安全监控 系统 ，在 实验室实现 了三层 网通信和 远 程监控 ，此监 控 系统 的应 用将 是现代 化矿 井安 全 生产监控 系统 的发展 方 向。 关键 词 ： 以太网 ；电力安 全监控 系统 ；嵌入 式监控 分站 ；智 能 电力装 置 中图分类号：T D 7 6 3 9 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 1 2 - 0 0 1 6 - 0 3 S t u dy o n Bui l t i n Ty p e Und e r g r o u nd M i n e El e c t r i c Po we r S a f e t y M o ni t o r i ng a n d Co nt r o l S y s t e m Ba s e o n Et h e r n e t WU L o n g ， W U Yo n gx i a n g ，XI NG L i k u n ( 1 Hu a i n a n N o r m a l U n i v e r s i t y ，H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ；2 A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h a t t h e b u i l t i n t y p e mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s u b s t a t i o n a 8 t h e r e l a y s tat i o n a n d t h e i n t e l l i g e n t e l e c t ric p o we r d e v i c e t o r e a l t i me c o l l e c t t h e d a t a o f t h e s i t e e q u i p me n t w e r e a p p l i e d t o f o r m the b u i l t i n t y p e u n d e r g r o u n d mi n e e l e c t r i c p o w e r s a f e t y mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e o n t h e e t h e r n e t T h e t h r e e l a y e r n e t c o mmu n i c a t i o n a n d r e mo t e mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l we r e c o n d u c t e d i n t h e i nd o o r l a b T h e a p p l i c a t i o n o f t h e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s ys t e m wo u l d b e t h e d e v e l o p me n t o r i e n t a t i on o f t h e mo d e r n i z e d mi ne s afe t y p r o du c t i o n mo n i t o rin g an d c o nt r o l s y s t e m Ke y wo r d s ： E t h e r n e t ；e l e c t ri c p o w e r s afe t y mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l s y s t e m ； b u i l t i n t y p e mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s u b s tat i o n； i n t e l l i g e n t e l e c t ri c p o w e r d e v i c e 由于矿井下 需要监 控 的区域广 、监 控点分 散 、监控 的 对象种类繁多，需要花费大量的人力、物力和财力进行设 备的管理和维护，而维护人员不足、维护手段落后己成为 管理中的薄弱环节。而且传统的监控系统方法不能在线监 测现场所有的设备运行状态，及时进行故障诊断，提前将 故障排除，而是等到设备瘫痪后才进行故障诊断，为此将 增加维修的难度，有可能使此设备 由于没有及时抢修而报 废，设备停止运行会影响整个生产线的工作，而且大部分 事故是由于这些隐患而发生的。 鉴于此，设计了基于以太网的嵌入式煤矿井下电力安 全监控系统，该系统通过嵌入式监控分站作为中继站，来 提高系统采集数据 的速度和缩短系统巡测周期，从而提高 系统的整体性能 ，在整个系统结构中起着承上启下的作用。 智能电力装置面向现场电力设备进行实时数据采集。 嵌入式监控分站设计了 C A N总线通信接 口、以太网通 信接口和 R S一 4 8 5及 R S一 2 3 2串口，这样就形成了两层网 1 6 和三级控制的监控系统。即通过 C A N总线连接到地面监控 主机 ，以太网通信接 口连接到 I n t r a n e t 和 I n t e rac t 上，同时 通过 R S一 4 8 5与智能电力装置进行通信 I 4 】 。 1 系统结构设计方案 该系统的监控对象是井下各变电所里的高低压配电开 关，但变电所之间距离往往相距甚远，所以系统具有集散 型的特点，文章研制的煤矿供电系统及供 电设备的微机监 测和管理系统，不仅可以监测供电系统的运行方式和有关 的电气参数、电气设备的工作状态 ，并且可以对全矿所有 的供电设备进行动态管理，极大地提高了煤矿电网的管理 水平和设备的使用效率， 有利于煤矿的安全生产。 井下电力监控系统共分地面微机管理系统、嵌入式监 控分站、智能电力装置三部分( 如图 1所示) 。嵌入式监控 分站与智能电力装置之间采用 R S一 4 8 5的通讯方式。地面 微机管理系统的监控主机与嵌入式监控分站之间采用高可 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 9 1 0 基金 项 目：安徽省 自然科学基金项 目( K J 2 0 1 0 B 2 0 0 ) 作者简介：伍龙( 1 9 7 7一) ，男，湖南永州人，硕士研究生 ，2 0 0 9年毕业于安徽理工大学安全与工程专业，现在淮南 师范学院从事教学与科研工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 2期 煤炭工程 靠性的 C A N现场总线通信方式。各智能电力装置相互独 立，并行工作 ，各变电所分站也相互独立，互不影响。所 以整个系统结构为 D C S分布式计算机监测系统，工作可靠 高效 ；分站带备用电池 ，保证在井下各配电装置出现故障 时，系统都能继续可靠工作。 一 垩 C AN 一逖一 采区变电站1 采区变电站2 广 一 智 能 电 力 装 置 智 能 电 j 】 装 置 智 能 电 l 3 装 置 智 能 电 力 装 置 智 能 电 n 装 置 图 1 监控 系统框图 智 能 电 j 3 装 置 第一部分 ，地面微机 管理 系统 主要任务 是对 整个井 下 采区变电所的信息进行存储和处理，并通过先进友好的人 机界面实现所有采区变电所的监控及管理。其由以太网通 信接口、监控主机、其它网络计算机等组成。只有监控主 机可以对井下设备变电所 内配电设备进行人工控制操作， 它直接与通信接 口相连 ，进行数据采集和控制输出，其它 计算机通过局域网可显示部分或全部监控画面和数据，但 不能进行控制操作。 第二部分 ，嵌入式监控分站是系统设计 的核心，其通 过网络信息通道收集各前置智能电力终端的上传信息，并 传达 到地 面微机 管理 系统 的监控 主机 ，同时下传 监控 主机 下达 的控 制和调 整命 令 给所 有 与它相 连 的智 能 电力 装 置。 嵌入式监控分站还可以通过以太网通信接 口连接到 I n t r a n e t 和I n t e r n e t 上，实现远程监控。分站可以提高系统采集数据 的速度和缩短系统巡测周期 ，从而提高系统的整体性能， 在整个系统结构中起着承上启下的作用 。 第三部分，面向现场设备的间隔层测控、保护 “ 一体 化”智能电力装置，该装置采用统一模块 ，放置于高、低 压开关防爆腔 内，形 成 就地微 机保 护 和 S C A D A( 数据 采集 和监控) 为一体 的前置智能测控单元 。 2 嵌入式监控分站的设计与实现 2 1 嵌 入式 监控 分站 的硬件 设计 嵌入式监控分站采用 A I 9 1 R M 9 2 0 0为核心处理器，设 计了存储单元，通信接口，输入输出单元，人机接 口，支 撑电路 ，电源及掉电保护六大部分，整体框图如图2所示。 嵌入式监控分站通信接 口的设计框图如图 3所示 ，通 信接口中设计了以太 网接 口、C A N接I ：1 、R S一2 3 2接 口、 R S一 4 8 5接口、U S B D e v i c e 接 口和 H o s t 接 口。 限于篇幅只给出实现远程监控的以太网接口设计原理。 【 通 信 接 f_ = ： 仔 储 单 元 电源及 掉电保护 A T 9 1 RM9 2 0 0 支撑电路 人机接口 = ： 输入 输出 单元 图 2 嵌入式监控分站设计整体框 图 - _ _ -_ _ -。_ 。一 H D MA I E t h c r n c t + H D P A l M A C 1 一 D c v i c e I+ D D M I R Q l D DP M O Sl M l SO 一 US ART S P CK 一 RT S NP C S O 一一 l A T 9 lR M 9 2 0 0 l F J Q I- NPCSl一 百习 IR Q 2 一 U S A R T 0 图 3 嵌 入式监控分站通信接 口连接框图 A T 9 1 R M 9 2 0 0内嵌一个 以太网控制器，支持媒体独立接 口 ( M I I ) 和精简媒体独立接 口( R MI I ) ，含 2 8字节发送 F I F O S 和2 8字节的接收 F I F O S ，可在半双工或全双工模式下提供 l O M l O O M b p s 的 以太 网接人 。 以太网接 口电路 主要 南 MA C控 制器和物理层接 口 ( P HY ) 两大部分构成 ，由于 A T g l R M9 2 0 0内部 已含 MA C控 制器，外部电路只需要扩展以太网物理层接口电路。 常用的单口1 0 M 1 0 0 M b p s 高速以太网物理层接 1：3 器件 有 R T L 8 2 0 1 、D M 9 1 6 1 ，均提供 M I I 接 口和传统 7线制 网络 接口，但 R T L 8 2 0 1 并不提供 R MI I 接口，为了今后移植 、扩 展的兼 容性，本系统采用 D M9 1 6 1作为 以太 网的物理层 接 口。 通 过 MI I 或 R MI I 接 口和 P H Y层 器件 D M9 1 6 1 相连再加 上 以太 网隔离器件 ( 本 系统采用 H1 0 1 2 ) 即可完成 以太 网的 物理连接。从图 3中可以看出，要实现这一接 口，在硬件 上 ，关 键要 完成 D M 9 1 6 1与 A T 9 1 R M 9 2 0 0芯 片三大 总线 的 连接 ，及 D M9 1 6 1 与 以太 网水 晶接 头 R J一4 5的连接 。在软 件上 ，则必须在 操作 系统 支持下 为 A T 9 1 R M9 2 0 0芯 片 编写 网络通信程序。 D M 9 1 6 1 起到了编码、译码输入和输出数据的作用 ，由 于 A T 9 1 R M9 2 0 0片 内 已带 有 MI I 接 口的 M A C控 制 器 ，而 D M 9 1 6 1 也提供了 M I I 接口，各种信号的定义也很明确 ，因 此 D M9 1 6 1与 A T 9 1 R M9 2 0 0的连接 时序 衔接 ，可 以达到很 好的网络信号传递 目的。 A T 9 1 R M 9 2 0 0所提供的接 口信号线较多，如图 4所示。 可以利用其 l 6位数据总线 D 0一D 1 5 、5根经过所存的地址线 A 0A 4 、读信号线 N R D、写信号线 N WR、经过译码产生的 片选线 N C S 7和中断请求线 I R Q分别与 D M 9 1 6 1的数据线 S I X ) 一S D 1 5 、地址线低 5位 S A 0一S A 4 、I O读信号线 I O R、 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 0年第 1 2期 L 0写信号线 I O W、地址使能线 A E N和8根中断请求线中的 一 根 I R O 1 2相连。时钟电路只需要外接 1 个 2 5 MH z 的晶振及 2个电容 。D M9 1 6 1 地址线有 S A 0S A1 9共 2 0根 ，只用到低 5位 S A 0S A 4与 R M 9 2 相 连 ，S A 5S A 7接 地 、S A 8一 S A 1 9接高电平，其它高地址位全部接地。这要对于 D M 9 1 6 1 内部来说 ，WO的基地址 为 3 0 0 H。D M9 1 6 1只要选 1 根 中断 请求线与 R M9 2 系统的中断线相连，其它7根线均浮空。 D0 一 D 1 5 S DO S D 1 5 XT2 A0 A4 S A0 一 S A4 XT l NRS T PW RS T ADDR2 CM D C1 C2 NRD I OR 2 2 p f 2 2 p f ， NW R I OW S A 9 P Cl 0 AE N S A 8 H 口 卜 一 I R Q I R Q 1 2 s A 7 J V C C S A 6 S A 5 AT9l RM 9 2 0 0 DM 91 61 图 4 R M9 2 0 0与 D M9 1 6 1 接 口电路框 图 以太网控制器 D M9 1 6 1与网络的连接非常简单，只要 把接收信号线 R X+、R X一和发送信号线 T X+、T X一通过 以太 网隔离器 ( T r a n s r me r ) 与 以太网水 晶接头 R J 4 5相连 即 可，其中以太网隔离器( T r a n s r me r ) 主要是用来将嵌入式 系统与以太网相隔离，以免相互干扰。 2 2嵌入 式监控 分站 的软 件设 计 作为整个系统运行的核心，嵌入式软件采用何种方式 编写对监控分站性能的发挥起到了至关重要的作用。过去 由于受存储技术和微处理器处理速度等因素的限制，写入 监控分站的嵌入式程序一般都是一个大循环加上若干个中 断服务程序组成。这种编写方式在处理一般的应用中能够 胜任 ，但是在面对多任务、多协议、复杂应用时显然 已经 不能满足要求。随着内存容量的迅速扩大以及价格的下降 和嵌入式微处理器的处理速度的提升，操作系统进入到嵌 入式系统中已经得到了广泛的应用。根据控制器的需求在 控制器上移植操作系统是必须的。基于嵌入式操作系统的 监控分站软件整体设计如图 5 所示。 任务1 l I 任务2 l 1 任务NI”l 任务M AP I 函数 T CP ， I P l l C AN o p e n 协议栈l I 协议栈 系统各个硬件底层驱 动程 序 ( W C A N 总线驱动程序、以太网驱动程序 4 8 5 驱动程序、串口 驱动程序等) 图 5 嵌入式软件结构框图 系统设计中由移植的嵌入式实时操作系统 C O SI I 统一管理和调度各个任务，在底层编写好硬件驱动程序如 C A N总线驱动程序、以太网驱动程序、4 8 5驱动程序、串 口驱动 程序 等，对于 现场 总线 和 I n t e me t接 人编 写 好 1 8 C A N o p e n协议栈和 T C P I P协议栈，各个与现场总线相关的 任务通过写好 A P I函数访问 C A N o p e n协议栈操作 C A N总 线 ，与以太网相关的任务通过写好的 A P I 函数访问 T C P 协议栈操作以太网接人 I n t e me t 。对于一些简单的任务可以 通过写好 的 A P I 函数直接 访 问硬件完成 操作 ，而一 些对 时 间要求严格 的任 务或 者简 单 的任务 可 以直接 对硬 件操 作 ， 完成操作 。 3 智能 电 力装置 的设计 系统 中智能 电力 装置 主要 由电源模 块 、C P U模块 、光 电隔离交流采样模块、光电隔离开关采样模块、远动控制 模块组成。其核心部分是 I n t e l 公司生产的 1 6位单片机 8 0 C 1 9 6 K B 。系统 时钟 由时钟芯片提供 ，并 由控制 中心精确 对时。网络接口采用 R S一4 8 5组成的串形接 口网络。电源 部分采用电源模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工 作。智能电力装置总体结构框图如图6所示。 _ L 亍 厂 _ L = L A D l 转 b 8 O C1 9 6 KB 匝 - 换 W atchD og 魏 各 种 测 量 电 路 - EP ROM I E2 pROM R A M R S 4 8 5 通信接口 报警电路 - - 液晶显示及键 jI 【 图 6 智能电力装置总体框 图 4 结语 文章研究 了基于 以太 网的嵌入 式煤矿井 下 电力 安全监 控 系统来监控井下 电力设 备 ，使得 地面监控 调度 中心的管 理人员可以直接对井下设备进行实时监控，不仅能直观的 监测和记录井下电力系统设备的工作状况及安全生产情况， 而且能及时发现事故苗头，防患于未然 ，也能为事后分析 事故提供有关的第一手资料。同时可以通过 I n t e me t 远程监 控 ，实现井下中央变电所、采 区变电所的集中管理和无人 值守 ，对于提高供电系统的可靠性和经济运行指标，促进 采区供电系统管理的科学化、现代化，有着非常重要的现 实意义 ，是现代化矿井安全生产监控系统的发展方 向。 参考文献： 1 马彩红煤矿监测监控技术应用现状和发展趋势 J 煤 矿 自动化 ，1 9 9 9，1 0 ( 2) ：1 2一l 6 2 朱大新变电站综合 自动化与无人值班 J 电力系统 自 动化，1 9 9 4，1 8 ( 1 1 ) ：59 3 邬宽明C A N总线原理和应用系统设计 M 北京 ： 北京 航空航天大学 出版社 ，1 9 9 6 4 李明康，静秋，等嵌入式 T C P I P协议栈的研究与开发 J 计算机工程与应用，2 o 0 2 ， 3 8 ( 1 6 ) ：1 1 8 1 2 1 ，1 3 5 5 李 明C O SI I在 A R M 上 的 移 植 J 电 子设 计 应 用 ， 2 0 o 3 ，( 4 ) ： 4 8 5 o ( 责任编辑赵巧芝) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m