基于EtherCAT的井下电力监控系统冗余网络

刘婧岩，王玉梅

(河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000)

矿井电力系统主要为一条进线带多条出线的“干线式”供电网络结构。同一电压等级下串联供电级数多且线路短，易造成二次电力监控系统结构复杂，对煤矿井下电力监控系统运行稳定性、可靠性的要求较高[1-6]。此外，随着煤矿井下电力系统内部信息交换量扩大，状态改变加快，现存矿井电力监控系统在数据传输实时性、抗干扰性、时钟同步性和可靠性等方面无法有力保障矿井电力系统的安全稳定运行[7-12]。工业以太网是改进后的标准以太网，以太网控制自动化技术(Ethernet Control Automation Technology，EtherCAT)作为最新的实时工业以太网现场总线技术，解决了以太网的实时性问题，在数据传输的可靠性、实时性、时钟同步等方面有较大的优势。冗余技术被业界认为是提高以太网系统可靠性和可维护性的有效手段之一[13-16]。因此本文研究了工业以太网 EtherCAT的冗余控制、热插拔技术及故障点快速诊断方法，提出了将EtherCAT通讯技术应用于煤矿井下电力监控系统的方案，利用EtherCAT通讯突破传统现场总线及以太网在井下数据传输遇到的瓶颈，并设计环型拓扑下的链路冗余控制系统，最终实现了监控系统的冗余网络。在实验室条件下，依据EtherCAT通信网络和煤矿井下供电网络，在实验室条件下搭建煤矿井下供电网络，并利用德国TwinCAT软件实时内核，采用PLC编程，最终在WindowsXP操作系统下建立监控主站软件系统，实现了系统层自动监测到设备层继电器驱动控制的过程。本文通过实验证明了加入冗余机制后，数据传输以及系统运行的可靠性得到了提高。

1 EtherCAT工作原理

1.1 EtherCAT数据帧

EtherCAT为一个开放架构，是以以太网为基础的现场总线系统，其名称CAT为控制自动化技术(Control Automation Technology)字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早由德国的Beckhoff公司研发。EtherCAT数据帧遵循标准的IEEE802.3以太网帧结构，并采用保留的以太网帧类型0x88a4与其他以太网帧进行区别。EtherCAT数据帧包括目的地址、源地址、帧类型、EtherCAT头、EtherCAT数据和帧校验序列FCS。EtherCAT数据由2 Byte的数据头和44～1 498 Byte的数据组成，其子报文由子报文头、数据域和工作计数器 (Working Counter，WKC)构成。子报文头包含数据帧的寻址方式、读写方式、与报文相对应的从站地址、报文数据区的长度等信息；数据域包含对应从站设备的数据；WKC用来反映EtherCAT从站正确处理子报文的次数。当从站正确处理子报文后，工作计数器的值会自动加1，主站通过比较预期的WKC值和返回的WKC值判断子报文是否完全被各从站正确处理，数据帧结构如图1所示。

图1 EtherCAT数据帧结构Figure 1. Data frame structure of EtherCAT

1.2 EtherCAT通信原理

EtherCAT主站设备可以是PC也可以是嵌入式平台，从站是由多个协议控制单元(EtherCAT Slave Controller，ESC)和与其连接的微处理器组成。主从设备之间通过主从介质访问控制(Media Access Control，MAC)模式进行数据交互。设备通过ESC同时接收和发送数据信息，并且主站一般情况下只连接第一个从站(在设置冗余模式时，最后一个从站与主站连接，形成冗余环网)。在数据帧被传递的过程中，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程通过从站控制器的硬件完成，延迟达ns级，而且不受协议栈程序的实时运行环境和相关CPU处理性能影响。主、从站通信过程如图2所示。

图2 EtherCAT主从通信过程Figure 2. Master-slave communication process of EtherCAT

2 EtherCAT冗余技术

2.1 EtherCAT通信网络

通信网络的高可靠性是煤矿井下供电系统稳定工作的重要保证。EtherCAT通信技术支持热备份冗余功能。本文中，EtherCAT采用电缆冗余的方式。所谓电缆冗余就是当系统网络中某一条通路(物理链路)中断时，系统网络还经由其他的网络通路(物理链路)来传递信息。增加EtherCAT网络冗余的代价不高，只需要在主站的设备端口添加一个标准以太网端口(不需要专用的网卡或者接口)和一根通讯电缆，连接方式由线性的拓扑结构转变为环型的拓扑结构即可。当主站网络接口、网络线路或节点发生通信故障时，仅需一个通信周期即可完成通信线路的切换，保证了正常的通信功能。将其作为煤矿井下高压综合保护器的通信协议，可提高煤矿井下供电系统系统的可靠性。图3和图4分别为无冗余结构和有冗余结构的EtherCAT通信网络。

图3 无冗余结构的EtherCAT通信网络Figure 3. EtherCAT communication network without redundant structure

图4 有冗余结构的EtherCAT通信网络Figure 4. EtherCAT communication network with redundant structure

通过对比图3和图4可以看出，无冗余结构的EtherCAT通信网络在某节点出现通信故障时，该节点及其之后的节点均不能正常工作，严重影响整个系统的可靠性。有冗余结构的EtherCAT通信网络则能迅速地依靠冗余通信线路恢复正常通信，其可靠性明显高于无冗余结构的EtherCAT通信网络。

2.2 冗余帧传播机制

EtherCAT通信技术支持热备份冗余功能，当主站网络接口、网络线路或节点发生通信故障时，仅需循环触发通信周期就可以恢复通信，保证网络正常的通信功能。EtherCAT冗余设计如图5所示，主站装有DMA主副网卡，分别携带网口A和网口B。

图5 EtherCAT冗余技术Figure 5. EtherCAT redundancy technology

图5中分析了通信正常工作与发生不同故障时的冗余作用：(1)正常情况(A→B)下，A口发送数据帧，遍历从站节点，最后经B口接收，(B→A)情况相同；(2)网口故障。A口故障时，数据帧经由B口发出，反向传输给首个从站节点，然后以原网路回环。经B口接收后，进接收队列；B口故障时，数据帧帧交由A口传输，至末从站节点，以原网路环回，经A口接收后，完成传输；(3)网路故障(热插拔)。假设从站k-1与从站k之间传输介质故障，则数据帧由A口发出，输至从站k-1处回环，经A口接收，再通过B口发送出，从反方向遍历至从站k处回环，最后由B口接收，完成传输；(4)从站节点故障。假设从站k通信故障，则数据帧经A口发出，输至从站k出回环，经A口接收，在通过B口发出，从反方向遍历至从站k处回环，最后由B口接收，完成传输。在矿井电力监控系统需求高稳定性的前提下，EtherCAT通信冗余可以较好地解决通信网络的稳定性问题。

3 实验验证

搭建基于EtherCAT通信网络的煤矿井下三级供电网络和“一主多从”的二次监控系统，实验平台结构设计、实物图如图6和图7所示。其中站域保护装置选用德国倍福公司的CX1030系列的PLC 控制器。该控制器由两个以太网RJ45接口，输入模块由倍福公司的EL3104模拟量输入模块和EL1008开关量输入模块组成，分别用于采集系统中的电气量和状态量。输出模块选用倍福公司的EL2008开关量输出模块，用于驱动断路器的分合闸操作，JQX-13F继电器充当断路器。

图6 实验平台整体结构图 Figure 6. Overall structure of the experimental platform

图7 实验平台整体实物图Figure 7. Overall physical diagram of the experimental platform

整个系统的监控主机选用装有倍福公司TwinCAT 软件的C5102-0030工业控制机(TwinCAT是倍福公司的一个软PLC开发环境和平台)。整个实验仿真系统中的PLC控制器与工控机之间采用EtherCAT通信。冗余时主站要求有第二个网卡，CX1020前面的两个RJ45口不能用作冗余，但CX50xx的网口可以。IPC上面如果只有两个网卡，则采用Windows XPe操作系统，以便本地编程。

在准备工作中，需要先断Slave网卡的网线连接。然后，在TwinCAT监控系统中使得基于EtherCAT的井下电力监控系统具有冗余网络。具体步骤如下：

步骤1在TwinCAT监控软件中新建TwinCAT System Manager和I/O-Configuration 。在I/O Devices中添加Devices 1 (EtherCAT)，并在EtherCAT中对添加advanved address；

步骤2在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中对MAC Address进行搜寻；

步骤3在Advanced Settings /Redundancy/Second Adapter中对Description:无线网络连接。将Device Name设置为：/DEVICE/{D585D49E-D5BD-4598-AA7B-57D9ADCD784C}，并将IP Address设为主机IP 地址；

步骤4激活配置；

步骤5连接Slave网卡的网线。

PC主站程序中发送的数据由其发送计数器Send-Counter记录其发送的周期帧数，测试从站程序所接收到的主站发送的数据周期帧数量，由其中的接收计数器Recv-Counter进行计数。记录时间段的总丢帧数即为Send-Counter与Recv-Counter的差值。

首先设置一个通讯周期为30 ms，并初始化Send-Counter与Recv-Counter；启动系统，设定发送数据时间为1 min，并在此期间随机的模拟单点故障与热插拔，如拔线、节点断电、节点移除及插入等；最后读取Send-Counter与Recv-Counter的数据并计算丢帧数。经过计算，发送计数器与接收计数器差值为0，确认未发生丢帧。

当供电系统中发生短路故障时，各从站将检测到的故障信息通过EtherCAT通讯上传至监控主站，监控主站对故障信息进行综合判断，而后主站向对应的从站发送允许动作指令，驱动相应的继电器跳闸。若为无冗余网络，从站间发生短路故障继电器跳闸后，其后的从站将无法进行正常通信。若为有冗余网络，故障切除后一个通信周期，将会恢复通信。

实验中将三级供电系统中第三级从站依次命名为31、32和33，并在从站32、33间模拟短路实验。按下模拟短路按钮后，监控主站判别结果如图8所示。图中，监控主站的判断结果为ACT32=1，即监控主站向对应的从站32发送允许动作指令，驱动相应的继电器跳闸，此时从站33处于无通信状态。故障切除后，由于冗余系统通信，监测到从站33中通信恢复正常，如图9所示，实验系统迅速恢复正常控制，系统运行可靠性提高。

图8 主站判别结果图Figure 8. Master station discrimination results

图9 从站33监测图Figure 9. Slave station 33 monitoring diagram

4 结束语

本文在研究实时工业以太网现场总线技术EtherCAT的工作原理、通信网络以及其冗余技术的基础上，分析设计了基于EtherCAT通讯的井下电力监控系统冗余网络，为监控井下电力系统提供了一种双向数据传输机制，并选用装有 TwinCAT 软件的工业控制机，搭建了以PC计算机作为主站的基于EtherCAT通信网络的煤矿井下三级供电网络进行实验验证。基于EtherCAT通信网络的煤矿井下供电网络在增加网络冗余时，只需要在主站的设备端口添加一个标准以太网端口和一根通讯电缆。冗余技术的加入可以实现对煤矿井下高性能工业控制系统线路故障冗余和热插拔任务要求，提升系统运行的可靠性和可维护性。