基于工业以太网和现场总线煤矿电网监控系统分析

摘要：煤矿供电质量对矿井安全和正常生产有着直接影响，随着采煤机械化程度的提高，煤矿供配电系统运行的可靠性和合理性显得更为重要。完善的电力监控系统可以有效地保证井下电网的安全运行，并能实现供电的“移峰填谷”，给煤矿带来巨大的社会和经济效益。我国很多煤矿所使用的供电系统还都是原始的人工停送电模式，暴露出生产成本和管理模式上的种种不足。随着电子信息技术、自动化技术和网络技术在煤炭行业应用的逐渐成熟，建立一套基于工业以太网和现场总线的矿井供电监控系统已经是煤炭行业发展的大趋势。

关键词：工业以太网；现场总线；电网监控

1、工业以太网与现场总线技术

1.1 现场总线技术

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管控一体的综合自动化功能。

1.2 工业以太网技术

工业以太网一般是指技术上与商业以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在材质的选用、产品的强度、适用性以及实用性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能够满足工业现场需要的一种以太网，其主要技术特点体现在以下几个方面：1）通信确定性与实时性。首先，Ethernet的通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，使网络碰撞机率大大下降。其次，采用星型网络拓扑结构，Ethernet交换机具有数据存储、转发的功能，使各端口之间输入和输出的数据帧能够得到缓冲，同时交换机还可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，从而降低了网络负荷。再次，全双工通信使得端口间两对双绞线（或光纤）上分别同时接收和发送报文帧，不会发生冲突。2）稳定性与可靠性。为了保证网络在工业应用领域及恶劣环境条件下也能稳定、可靠工作，德国hirschmann等公司专门开发和生产了工业以太网交换机等产品，安装在标准din导轨上，并有冗余电源供电。3）安全性。工业以太网可以将企业传统的三层网络系统，即信息管理层、过程监控层、现场设备层，合成一体，使数据的传输速率更快、实时性更高，实现数据共享，提高运作效率。但同时也引人了一系列的网络安全向题，一般情况下，可以采用网关或防火墙等对工业网络与外部网络进行隔离，还可以通过权限控制、数据加密等多种安全机制加强网络的安全管理。

2、基于现场总线的煤矿电力系统监控系统优势

（1）先进性：系统设计有多种通讯接口，充分考虑到系统的扩展和兼容。

（2）实用性：具有监控信息收集、处理、查询、统计、分析等功能，实现煤矿供电系统的远程监控和井下变电所的无人值守；系统既可以独立运行也可以采用OPC方式与全矿自动化监控系统连接。

（3）可靠性：在硬件设计和选型、软件环境和应用系统的建设中充分体现系统在特殊环境下使用的可靠性。

（4）扩展性：预留软硬件接口资源，方便以后电力系统的扩展。当增加变电所监控时，只需增加少量低层设备，简单修改软件设置即可，同时通信网络还可为其它通信系统提供通信通道。

3、系统结构

煤矿信息集成平台作为符合煤矿工业环境和生产过程特点需要的各子系统普遍适用的集成监控网络平台，是构成煤矿综合信息化的基础。采取基于现场总线和工业以太网的井下计算机监控平台，通过网关将安全生产监控系统、井下人员定位系统、工业电视监视系统、井下电网监测系统、顶板监测系统等多种井下子系统与信息集成平台实现无缝连接。通过设计各种接入网关将各种子系统的数据包经过协议转换后变成IP包在网络上传输实现信息的集成。系统的连接示意图如图1所示。

系统总体结构分为3部分：现场测控网络或各种监测监控子系统、嵌入式透明网关、以太网信息管理层。在井下煤矿安全生产自动化监测、监控和管理系统中，直接与管理层相连的主干网络为以太网，而直接与现场设备相连的支路网络为现场总线。现场总线与以太网是采用不同通信协议的两种异构网络。实现二者之间的通信，需要在不同的协议之间进行转换，这样需通过网关来完成。网关又被称为网间协议变换器，用于连接采用不同通信协议的网络，实现網络之间的数据传输。当一组信息要求从一个网段发送到另一个网段时，网关需要完成对该信息的接收、翻译和转发工作。

要实现协议转换，网关必须具备它所要连接的不同网络的协议包。由于TCP/IP协议包需要较大的存储空间。大多数情况用PC机来充当网关。但在矿井井下等特殊环境下使用PC机不方便，故选用在MCU/MPU嵌入式系统中实现网关功能。我们可以采用一种透明式网关方式，即在以太网应用层构建和解析完整的总线协议数据包，总线协议数据包作为TCP/IP网络应用层的数据进行传输，它对通信数据的具体实际意义不做任何解释。

图1现场总线与以太网连接示意图

4、电网监控系统主要功能

（1）数据采集与预处理。系统通过前置机与各受控站设备通讯，完成数据采集与设备控制任务，并负责向各受控站校对时钟。系统能够实时采集遥测量（电压、电流、功率、功率因数、电度等）与遥信量（断路器刀闸位置、保护自动装置动作信号等）数据。采集的信息在这里经过预处理后存储到系统实时数据库中供其它模块使用。本系统支持多种部颁规约（如CDT、1801、101、104等），并支持前置机主备冗余与通道主备冗余。

（2）开放的数据接口系统。系统可以把采集和计算的数据提供给其它系统，可以采用标准通讯方式、SQL历史数据访问方式、API接口方式。标准通讯方式如OPC协议可以将系统数据转发给上级调度或模拟屏等系统；SQL访问方式和AP工接口方式可以将系统数据提供给Mls系统。

（3）画面制作与运行状态监视。通过绘图软件可以制作各受控站主接线图、地理图、光字牌，定义各种类型曲线、棒图、饼图，可以自行定义各种图元（變压器、接地线、断路器、隔离刀闸等），可以在图形中定义各种动态关联点（遥信量、遥测量等）。绘制好的图形可以在系统运行时由人机界面程序显示，其中的动态点可以根据现场实际情况动态显示。

（4）控制和调节。控制命令分遥控遥调两类，遥控一般用于控制断路器的合分，遥调用于控制主变分接头位置。每次控制过程均产生一条控制记录，包括操作人、监护人、控制内容、控制结果。该记录可以通过操作事件查询来观看，操作事件可以打印到打印机。

（5）报警管理。包括两类报警信息：变电站运行事件信息（遥信变位、遥测越限），监控系统内事件信息（如网络通讯故障）。当报警事件发生时系统自动弹出报警窗口，同时伴有语音、音响报警，并可同时打印到打印机。

（6）数据处理。对于采集的数据可以进行进一步的统计、计算、旁代处理，最终达到无效数据过滤、合格数据存储等功能。

（7）自诊断。本系统包括一个独立的自诊断模块，该模块可以发现系统内实时运行程序的各类故障。当其发现某一模块有问题时可以自动终止该模块的运行，并重新启动该模块，恢复系统的正常运行。

（8）报表管理。报表分定日材及表和召唤报表，定时报表在用户指定的时间时刻自动生成，召唤报表在用户手工召唤时生成报表。可以定义各类日报表、月报表、季报表，这些报表都可以设置是定时乎丁印还是召唤打印。对于召唤报表，可以在报表生产后直接修改报表中的相应数据，修改结果可以保存到数据库中。

5、系统将要达到的收益

（1）通过对电网主要供配电设备、线路的实时运行状态监 测，分析判断故障类型、性质、范围，做到超前预防，超前诊断。

（2）通过系统的故障和报警事件处理方案设定，可以在及时发现故障的同时及时做出响应，将事故最小化。

（3）作为煤矿监控的一个重大板块，可以为煤矿调度统一管理的建设提供重要基础。

6、结束语

总之，本系统具有通讯技术先进、功能丰富实用、性能安全可靠以及可扩展性强等优势，必将在煤矿电力系统运行监控和数据采集、统计方面发挥重要作用，从而提高电网运行可靠行，保证煤矿的安全连续生产。

参考文献：

[1]基于以太网技术的电力监控系统分析[J].陈代金，赵建峰.电气技术.2015（03）.

[2]浅谈基于工业以太网的网络控制技术[J].王信，陈丹.数字技术与应用.2016（08）.

[3]基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计[J].张学辉.自动化仪表.2017（03）.

（作者单位：神东煤炭集团公司信息管理中心）

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