基于EtherCAT的井下電力監控系統冗余網絡

劉婧巖，王玉梅

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000)

礦井電力系統主要為一條進線帶多條出線的“干線式”供電網絡結構。同一電壓等級下串聯供電級數多且線路短，易造成二次電力監控系統結構復雜，對煤礦井下電力監控系統運行穩定性、可靠性的要求較高[1-6]。此外，隨著煤礦井下電力系統內部信息交換量擴大，狀態改變加快，現存礦井電力監控系統在數據傳輸實時性、抗干擾性、時鐘同步性和可靠性等方面無法有力保障礦井電力系統的安全穩定運行[7-12]。工業以太網是改進后的標準以太網，以太網控制自動化技術(Ethernet Control Automation Technology，EtherCAT)作為最新的實時工業以太網現場總線技術，解決了以太網的實時性問題，在數據傳輸的可靠性、實時性、時鐘同步等方面有較大的優勢。冗余技術被業界認為是提高以太網系統可靠性和可維護性的有效手段之一[13-16]。因此本文研究了工業以太網 EtherCAT的冗余控制、熱插拔技術及故障點快速診斷方法，提出了將EtherCAT通訊技術應用于煤礦井下電力監控系統的方案，利用EtherCAT通訊突破傳統現場總線及以太網在井下數據傳輸遇到的瓶頸，并設計環型拓撲下的鏈路冗余控制系統，最終實現了監控系統的冗余網絡。在實驗室條件下，依據EtherCAT通信網絡和煤礦井下供電網絡，在實驗室條件下搭建煤礦井下供電網絡，并利用德國TwinCAT軟件實時內核，采用PLC編程，最終在WindowsXP操作系統下建立監控主站軟件系統，實現了系統層自動監測到設備層繼電器驅動控制的過程。本文通過實驗證明了加入冗余機制后，數據傳輸以及系統運行的可靠性得到了提高。

1 EtherCAT工作原理

1.1 EtherCAT數據幀

EtherCAT為一個開放架構，是以以太網為基礎的現場總線系統，其名稱CAT為控制自動化技術(Control Automation Technology)字首的縮寫。EtherCAT是確定性的工業以太網，最早由德國的Beckhoff公司研發。EtherCAT數據幀遵循標準的IEEE802.3以太網幀結構，并采用保留的以太網幀類型0x88a4與其他以太網幀進行區別。EtherCAT數據幀包括目的地址、源地址、幀類型、EtherCAT頭、EtherCAT數據和幀校驗序列FCS。EtherCAT數據由2 Byte的數據頭和44～1 498 Byte的數據組成，其子報文由子報文頭、數據域和工作計數器 (Working Counter，WKC)構成。子報文頭包含數據幀的尋址方式、讀寫方式、與報文相對應的從站地址、報文數據區的長度等信息；數據域包含對應從站設備的數據；WKC用來反映EtherCAT從站正確處理子報文的次數。當從站正確處理子報文后，工作計數器的值會自動加1，主站通過比較預期的WKC值和返回的WKC值判斷子報文是否完全被各從站正確處理，數據幀結構如圖1所示。

圖1 EtherCAT數據幀結構Figure 1. Data frame structure of EtherCAT

1.2 EtherCAT通信原理

EtherCAT主站設備可以是PC也可以是嵌入式平臺，從站是由多個協議控制單元(EtherCAT Slave Controller，ESC)和與其連接的微處理器組成。主從設備之間通過主從介質訪問控制(Media Access Control，MAC)模式進行數據交互。設備通過ESC同時接收和發送數據信息，并且主站一般情況下只連接第一個從站(在設置冗余模式時，最后一個從站與主站連接，形成冗余環網)。在數據幀被傳遞的過程中，從站會識別出相關命令，并進行處理。此過程通過從站控制器的硬件完成，延遲達ns級，而且不受協議棧程序的實時運行環境和相關CPU處理性能影響。主、從站通信過程如圖2所示。

圖2 EtherCAT主從通信過程Figure 2. Master-slave communication process of EtherCAT

2 EtherCAT冗余技術

2.1 EtherCAT通信網絡

通信網絡的高可靠性是煤礦井下供電系統穩定工作的重要保證。EtherCAT通信技術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系統網絡中某一條通路(物理鏈路)中斷時，系統網絡還經由其他的網絡通路(物理鏈路)來傳遞信息。增加EtherCAT網絡冗余的代價不高，只需要在主站的設備端口添加一個標準以太網端口(不需要專用的網卡或者接口)和一根通訊電纜，連接方式由線性的拓撲結構轉變為環型的拓撲結構即可。當主站網絡接口、網絡線路或節點發生通信故障時，僅需一個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器的通信協議，可提高煤礦井下供電系統系統的可靠性。圖3和圖4分別為無冗余結構和有冗余結構的EtherCAT通信網絡。

圖3 無冗余結構的EtherCAT通信網絡Figure 3. EtherCAT communication network without redundant structure

圖4 有冗余結構的EtherCAT通信網絡Figure 4. EtherCAT communication network with redundant structure

通過對比圖3和圖4可以看出，無冗余結構的EtherCAT通信網絡在某節點出現通信故障時，該節點及其之后的節點均不能正常工作，嚴重影響整個系統的可靠性。有冗余結構的EtherCAT通信網絡則能迅速地依靠冗余通信線路恢復正常通信，其可靠性明顯高于無冗余結構的EtherCAT通信網絡。

2.2 冗余幀傳播機制

EtherCAT通信技術支持熱備份冗余功能，當主站網絡接口、網絡線路或節點發生通信故障時，僅需循環觸發通信周期就可以恢復通信，保證網絡正常的通信功能。EtherCAT冗余設計如圖5所示，主站裝有DMA主副網卡，分別攜帶網口A和網口B。

圖5 EtherCAT冗余技術Figure 5. EtherCAT redundancy technology

圖5中分析了通信正常工作與發生不同故障時的冗余作用：(1)正常情況(A→B)下，A口發送數據幀，遍歷從站節點，最后經B口接收，(B→A)情況相同；(2)網口故障。A口故障時，數據幀經由B口發出，反向傳輸給首個從站節點，然后以原網路回環。經B口接收后，進接收隊列；B口故障時，數據幀幀交由A口傳輸，至末從站節點，以原網路環回，經A口接收后，完成傳輸；(3)網路故障(熱插拔)。假設從站k-1與從站k之間傳輸介質故障，則數據幀由A口發出，輸至從站k-1處回環，經A口接收，再通過B口發送出，從反方向遍歷至從站k處回環，最后由B口接收，完成傳輸；(4)從站節點故障。假設從站k通信故障，則數據幀經A口發出，輸至從站k出回環，經A口接收，在通過B口發出，從反方向遍歷至從站k處回環，最后由B口接收，完成傳輸。在礦井電力監控系統需求高穩定性的前提下，EtherCAT通信冗余可以較好地解決通信網絡的穩定性問題。

3 實驗驗證

搭建基于EtherCAT通信網絡的煤礦井下三級供電網絡和“一主多從”的二次監控系統，實驗平臺結構設計、實物圖如圖6和圖7所示。其中站域保護裝置選用德國倍福公司的CX1030系列的PLC 控制器。該控制器由兩個以太網RJ45接口，輸入模塊由倍福公司的EL3104模擬量輸入模塊和EL1008開關量輸入模塊組成，分別用于采集系統中的電氣量和狀態量。輸出模塊選用倍福公司的EL2008開關量輸出模塊，用于驅動斷路器的分合閘操作，JQX-13F繼電器充當斷路器。

圖6 實驗平臺整體結構圖 Figure 6. Overall structure of the experimental platform

圖7 實驗平臺整體實物圖Figure 7. Overall physical diagram of the experimental platform

整個系統的監控主機選用裝有倍福公司TwinCAT 軟件的C5102-0030工業控制機(TwinCAT是倍福公司的一個軟PLC開發環境和平臺)。整個實驗仿真系統中的PLC控制器與工控機之間采用EtherCAT通信。冗余時主站要求有第二個網卡，CX1020前面的兩個RJ45口不能用作冗余，但CX50xx的網口可以。IPC上面如果只有兩個網卡，則采用Windows XPe操作系統，以便本地編程。

在準備工作中，需要先斷Slave網卡的網線連接。然后，在TwinCAT監控系統中使得基于EtherCAT的井下電力監控系統具有冗余網絡。具體步驟如下：

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

步驟2在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中對MAC Address進行搜尋；

步驟3在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中對Description:無線網絡連接。將Device Name設置為：/DEVICE/{D585D49E-D5BD-4598-AA7B-57D9ADCD784C}，并將IP Address設為主機IP 地址；

步驟4激活配置；

步驟5連接Slave網卡的網線。

PC主站程序中發送的數據由其發送計數器Send-Counter記錄其發送的周期幀數，測試從站程序所接收到的主站發送的數據周期幀數量，由其中的接收計數器Recv-Counter進行計數。記錄時間段的總丟幀數即為Send-Counter與Recv-Counter的差值。

首先設置一個通訊周期為30 ms，并初始化Send-Counter與Recv-Counter；啟動系統，設定發送數據時間為1 min，并在此期間隨機的模擬單點故障與熱插拔，如拔線、節點斷電、節點移除及插入等；最后讀取Send-Counter與Recv-Counter的數據并計算丟幀數。經過計算，發送計數器與接收計數器差值為0，確認未發生丟幀。

當供電系統中發生短路故障時，各從站將檢測到的故障信息通過EtherCAT通訊上傳至監控主站，監控主站對故障信息進行綜合判斷，而后主站向對應的從站發送允許動作指令，驅動相應的繼電器跳閘。若為無冗余網絡，從站間發生短路故障繼電器跳閘后，其后的從站將無法進行正常通信。若為有冗余網絡，故障切除后一個通信周期，將會恢復通信。

實驗中將三級供電系統中第三級從站依次命名為31、32和33，并在從站32、33間模擬短路實驗。按下模擬短路按鈕后，監控主站判別結果如圖8所示。圖中，監控主站的判斷結果為ACT32=1，即監控主站向對應的從站32發送允許動作指令，驅動相應的繼電器跳閘，此時從站33處于無通信狀態。故障切除后，由于冗余系統通信，監測到從站33中通信恢復正常，如圖9所示，實驗系統迅速恢復正?？刂?，系統運行可靠性提高。

圖8 主站判別結果圖Figure 8. Master station discrimination results

圖9 從站33監測圖Figure 9. Slave station 33 monitoring diagram

4 結束語

本文在研究實時工業以太網現場總線技術EtherCAT的工作原理、通信網絡以及其冗余技術的基礎上，分析設計了基于EtherCAT通訊的井下電力監控系統冗余網絡，為監控井下電力系統提供了一種雙向數據傳輸機制，并選用裝有 TwinCAT 軟件的工業控制機，搭建了以PC計算機作為主站的基于EtherCAT通信網絡的煤礦井下三級供電網絡進行實驗驗證?；贓therCAT通信網絡的煤礦井下供電網絡在增加網絡冗余時，只需要在主站的設備端口添加一個標準以太網端口和一根通訊電纜。冗余技術的加入可以實現對煤礦井下高性能工業控制系統線路故障冗余和熱插拔任務要求，提升系統運行的可靠性和可維護性。