一種無人化主井提升的網絡監控設計

孫祖明

(天地科技股份有限公司， 北京 100013)

0 引言

主井提升系統是礦山生產的咽喉，也是煤炭運輸的重要通道，直接關系著礦山企業的生產效率。隨著計算機技術和微電子技術在礦山生產中的應用，其主井提升自動化水平得到很大提高，但還存在以下問題[1-3]:

1) 各生產環節獨立運行卻不能完全協同。雖然主井上口和下口各自實現了裝卸載全自動、打點全自動和提升機往復運行全自動，但銜接時還需要人工協同操作，效率不高且影響提升運行的安全性、可靠性。

2) 主井提升系統需全時配備操作工和絞車司機數名，受井下的粉塵、井上提升機車間的噪聲和電磁污染等職業危害較大。

3) 生產數據分散、共享能力低，形成信息孤島，不利于全生產鏈設備的故障分析，無法實現設備故障預判和健康管理。

4) 監控方式單一，只能滿足車間操作員站的監控功能，不能完全滿足廠區管理層和集團管理層的信息監控需要，以致影響精準調度和科學決策。

綠色生產是礦山企業發展的主線，無人化是數字礦山建設的發展方向。2016年10月版《煤礦安全規程》第428條中提出“自動化運行的專用于提升物料的箕斗提升機，可不配備司機值守，但應當設圖像監視并定時巡檢”。為此,針對主井提升系統目前存在的問題，利用工業以太網環網網絡將生產鏈的各個組成部分銜接到一起，形成鏈節協同、數據共享、集中監控的生產模式，能夠減員增效，提升礦山生產的數字化水平和管理水平。

1 主井提升集中監控網絡設計方案

主井提升系統接入環網站點[3]如圖1所示。

圖1 主井提升系統網絡化布局

按空間布局的不同，可將站點劃分為井上站點和井下站點：

1) 井上部分包括主控系統、主機房網絡攝像機組、井口攝像機組、集控中心、調度中心、井口信號分站和操作室信號分站等。

2) 井下部分包括井下信號、裝卸載控制系統、井下網絡攝像機組、井下控制分站、饋電開關、綜保開關和輸送帶保護器等。

按功能的不同，系統站點可劃分為控制站點和監控站點：

1) 控制站點包括主控制系統的可編程控制器(PLC)、操作室信號分站的PLC、井口信號分站的PLC、井下信號、裝卸載控制分站的PLC和井下控制分站的PLC等。

2) 監控站點包括調度中心上位機、集控中心上位機、主控制系統的上位機和操作室信號分站的上位機等。

主控系統作為提升系統的核心，通過工業以太網連接各個監控站點和控制分站，形成分布式網絡監控系統。以太網環網配置具有冗余功能的環網交換機。當環網中的骨干鏈接斷開時，網絡中的數據會通過另一半鏈路進行傳輸,以保證網絡的正常通信。各個受控站點分別配有獨立IP地址，將采集的各類數據信息經過以太網總線傳輸至各監控站點。通過分級授權管理模式，調度中心和集控中心各級管理人員或操作人員利用接入環網的上位機或觸摸屏等人機界面,對主井提升系統各個監控對象進行視頻監視和數據監控。監控對象包括井下的皮帶系統、給煤機系統、裝載系統和井上的卸載系統、提升機主機系統、高低壓系統、冷卻系統、傳動系統、制動系統等。

2 主井提升系統網絡通信故障監測

通信數據通過工業以太網在主井提升系統各站點間互相傳輸，網絡傳輸數據包括控制指令數據、控制閉鎖數據、實時運行數據等。網絡通信數據的實時性控制是網絡控制的關鍵，時延最小化是工業網絡通信的技術保證[4-6]。主井提升系統環網輻射范圍大，接入網絡站點多,應用環境復雜。當通信網絡中斷或延時過長時，控制指令、閉鎖數據和運行數據無法傳輸，主控方或受控方會在該時間段“致盲”、“失控”，從而影響主井的安全生產。在嚴苛的安全生產背景下，做好電磁兼容(EMC)和防護設計的同時，還應做好通信故障監測，即在發生網絡通信故障的情況下，各站點能夠各自及時監測通信故障并執行安全保護動作。同時，監控站點的上位機軟件能夠及時監測通信故障并通過人機交互界面報警。

2.1 通信時延實時監測原理

根據主井提升控制工藝，在有通信內容的每兩個通信站點間加設通信時延監測[7-8]，監測內容為在兩個站點間互相傳送的測試數據(流信息)。兩個通信站點分別設為監測流信息發送端Send和監測流信息接收端Rec。Send發送流信息給Rec，Rec收到流信息后即刻將流信息轉發給Send，Send根據流信息數據計算數據發送和回傳的時間，從而得到數據傳輸延遲時間。

TD=T-Tse-Trep

(1)

式中:T為Send接收到Rec回饋監測信息的時間戳;TD為網絡傳輸延遲時間;Trep為Rec接收到流信息到Rec轉發回饋流信息給Send的處理時間戳;Tse為Send發送監測流信息的時間戳。Send發出的監控流信息中時間戳為對計時時鐘(累加計數)的取樣值，時鐘累加計數周期為1 ms。

數據傳輸延遲時間的計算如圖2所示。A、B、C3點為Send的時鐘累加取樣，a、c兩點為Rec接收到的流信息數據，忽略轉發時間Trep(設為0)，設Send和Rec間雙向數據傳輸時間相同。Send在A處t0時刻發送時間戳數據T0，Rec在t0+TD時刻接收到數據并轉發回傳，Send在B處t0+2TD時刻收到數據T0，B處時鐘采樣值T1-T0的差值即為數據通信延遲時間的2倍。同理，下一個監測流信息在t1時刻發出，在D點位置監測的通信延遲時間為(T3-T2)/2。

圖2 站點間通信監測原理

2.2 站點間通信監測的實現

根據主井提升工藝控制要求對控制站(PLC)與監控站(上位機)間鏈路、控制站與控制站間鏈路進行實時網絡通信互相監測。站點間通過互相發送用于通信監測的流信息并對流信息進行解析處理來判斷通信質量。發送監測信息的站點作為主動監測方(Send)，轉發監測信息的站點作為被動監測方(Rec)。由于各站點對監測流信息的采集速度不同，故對不同站點通信監測采用不同監測頻率。對于監控站，由于其采集數據速度較慢，需采用較慢速度的監測頻率。選取控制站(作為Send方)和監控站(作為Rec方)分別進行研究。

控制站對網絡通信的監測流程如圖3所示。將監測周期(監測脈沖)設為10 ms。監測使能后，Send方響應監測脈沖，讀取時鐘值繼而將流信息打包、發送；同時，存儲接收(Rec方返回數據)數據，在下一個監測脈沖響應之前，對時鐘值和讀取的時鐘數據進行運算，得出通信時延結果，并判斷是否超時。

圖3 控制站通信監測流程

監控站對網絡通信的監測流程如圖4所示。將監測周期(監測脈沖)設為1 000 ms(監控站對通信數據采集周期較長，最短周期為250 ms，監測周期需大于監控站采集周期)。監測程序先進行初始化，在對監測使能后，讀取流信息并進行解析。

對解析的脈沖信息處理：如果收到了低電平，對低電平次數累加計數并對標志位flag置零(收到低電平)。如果低電平累計次數過多(通信中斷)則報警，未能觸發報警則再次讀流信息；如果收到了高電平，對標志位flag進行判斷。如果flag=1(說明讀取的數據與前次讀取的數據相同，通信可能已經中斷)，對該狀態累加計數并與閥值比較。如果flag=0(說明讀取的數據與前次讀取的數據不同)，對flag置位并轉發流信息的時間數據，脈沖數據清零并循環讀取流信息。

圖4 監控站通信監測流程

3 通信監測試驗及試驗結果分析

按照圖3所示流程進行網絡通信監測編程，控制站(Send)發送的時鐘計時曲線如圖5(a)所示，接收到由Rec方轉發回來的時鐘計時曲線如圖5(b)所示，兩個計時曲線的即時時間差如圖5(c)所示。在某時刻取計時差值53 ms，得到通信時延為53/2=26.5 ms。

(a) Send方時鐘計時曲線

(b) Rec方轉發回來的時鐘計時曲線

(c) 時鐘計時差值曲線

同理，按照圖4所示流程進行網絡通信監測編程，控制站(Send)發送的時鐘計時曲線如圖6(a)所示，接收到由Rec方轉發回來的時鐘計時曲線如圖6(b)所示，兩個計時曲線的即時時間差如圖6(c)所示，監測脈沖如圖6(d)所示。在某時刻取計時差值112 ms(去除1 000 ms監測周期時間)，得到通信時延為112/2=56 ms。

(a) Send方時鐘計時曲線

(b) Rec方轉發回來的時鐘計時曲線

(c) 時鐘計時差值曲線

(d) 監測脈沖

向通信網絡加載頻率800 Hz、幅值860 V的電快速瞬變脈沖群(Electrical Fast Transient Burs，EFTB)，如圖7所示。脈沖群造成了通信中斷，Send方發送的時鐘計時曲線如圖8(a)所示，接收到由Rec方轉發回來的時鐘計時曲線如圖8(b)所示，計時數值產生了停滯不變的現象，網絡故障監測狀態如圖8(c)所示，監測到三次網絡中斷并將故障狀態置“1”。

圖7 干擾脈沖群

(a) Send方時鐘計時曲線

(b) Rec方轉發回來的時鐘計時曲線

(c) 網絡故障監測

4 結論

研究了主井提升網絡通信的控制方案。為適用于數字化礦山數據監控的需要，給出了通信故障監測原理和建模方法。該方案滿足了數據控制網絡通信安全的需要，有利于提高網絡化數字控制的可靠性。實驗結果表明，主井提升系統網絡通信時延為23～76 ms，當引入干擾脈沖群導致通信中斷時，該方法能及時監測到通信故障。