專利名稱：基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式can總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域，具體為ー種基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的礦用移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近幾年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，能源需求增長(zhǎng)加速，煤炭產(chǎn)量也迅速增長(zhǎng)。隨著煤礦供電自動(dòng)化的要求越來越高，各種井下設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀察井下各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并且要求能有效、快速對(duì)井下設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，各種用電設(shè)備都必須設(shè)有智能檢測(cè)終端，并通過網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信。移動(dòng)變 電站是ー種可移動(dòng)的供電成套設(shè)備，用于把來自中央變電所的高壓電能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪弘娔?，并向采區(qū)工作面生產(chǎn)機(jī)械驅(qū)動(dòng)設(shè)備提供電能的移動(dòng)式變配電裝置，它的安全運(yùn)行是整個(gè)采區(qū)工作面工作可靠性的必要條件。目前移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)信息集成能力不強(qiáng)，系統(tǒng)不開放、易成為“信息孤島”。首先，礦用移動(dòng)變電站所采用的通信接ロ多為RS-485，先進(jìn)的采用CAN總線接ロ。但是不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差，不易于系統(tǒng)功能擴(kuò)展。移動(dòng)變電站之間及系統(tǒng)與外界之間難以實(shí)現(xiàn)信息交換。其次，礦用移動(dòng)變電站在井下比較分散，若要集中監(jiān)控，要用各自的通訊電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，這會(huì)使礦井大量重復(fù)布線、資源浪費(fèi)、安裝維護(hù)工作復(fù)雜。再次，隨著對(duì)煤礦供電安全可靠性要求，地面監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)字式移動(dòng)變電站的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且要根據(jù)實(shí)時(shí)處理的結(jié)果進(jìn)行跳合閘等操作，另外要將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史記錄傳送到監(jiān)控系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)顯示和事故分析。而對(duì)RS-485或CAN總線，這些現(xiàn)場(chǎng)總線是設(shè)備級(jí)的低速數(shù)據(jù)總線，隨著通信距離的増加傳輸速率會(huì)更低，已經(jīng)成為信息傳輸?shù)钠款i。目前現(xiàn)代化礦井通信系統(tǒng)主要采用エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為通信骨干網(wǎng)，結(jié)合エ業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)和其它各種接入網(wǎng)絡(luò)，形成ー個(gè)覆蓋全礦井的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)?；讠I(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)將隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)作為移動(dòng)變電站與エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)間的接入通信系統(tǒng)，可保障煤礦惡劣環(huán)境中移動(dòng)變電站監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和物理安全性，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)煤礦移動(dòng)變電站的無人值守。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，利用煤礦井下主干通信網(wǎng)絡(luò)エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，主干網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，主干網(wǎng)通過エ業(yè)級(jí)交換機(jī)為全礦地面及井下各個(gè)子系統(tǒng)提供方便靈活的エ業(yè)以太網(wǎng)接ロ。隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)分布在井下，通過隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建ー個(gè)完全隔離的接ロ，通過網(wǎng)關(guān)分段接入骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下主要工作區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)變電站相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變電站的分布式移動(dòng)監(jiān)控。由于CAN總線系統(tǒng)通常用于連接多個(gè)移動(dòng)變電站，鋪設(shè)距離較長(zhǎng)，因此總線和所連接的各系統(tǒng)之間的隔離非常關(guān)鍵。隔離可以防止CAN總線電纜網(wǎng)絡(luò)與連接至總線系統(tǒng)之間的過壓瞬變?cè)斐善茐?，同時(shí)消除網(wǎng)絡(luò)中的接地環(huán)路，減少信號(hào)失真和誤差，并防止電壓/接地失配影響電路。所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為煤礦通信骨干網(wǎng)1000Mエ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述骨干網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)完成CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與主干環(huán)網(wǎng)間的無縫連接。所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述網(wǎng)關(guān)以嵌入式單片機(jī)LPC2100為硬件控制核心，并結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)U C/ OS-II實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮U C/0S-II在實(shí)時(shí)性、可靠性方面的優(yōu)勢(shì)，使移動(dòng)變電站的監(jiān)控更及時(shí)，更可靠。所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器采用ADM3052，它是ー款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)用新型的工作原理是針對(duì)礦用移動(dòng)變電站與エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的可靠，快速接入問題，設(shè)計(jì)基于隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)變電站與エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的接入通信系統(tǒng)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)與エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用ADM3052進(jìn)行隔離式CAN物理層收發(fā)器設(shè)計(jì)，CAN網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)變電站相互通信，將移動(dòng)變電站的運(yùn)行狀態(tài)通過エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器，進(jìn)而對(duì)移動(dòng)變電站進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)控。本實(shí)用新型將隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)用于移動(dòng)變電站的長(zhǎng)距離串行通信，保障了煤礦惡劣環(huán)境中移動(dòng)變電站監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和物理安全性。與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在本實(shí)用新型采用隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)和エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以防止CAN總線網(wǎng)絡(luò)與連接至總線系統(tǒng)之間的過壓瞬變?cè)斐傻钠茐模瑫r(shí)消除網(wǎng)絡(luò)中的接地環(huán)路，減少信號(hào)失真和誤差，并防止電壓/接地失配影響電路，保障了煤礦惡劣環(huán)境中移動(dòng)變電站監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和物理安全性，同時(shí)也保證了高速傳輸數(shù)據(jù)。

圖I為本實(shí)用新型的煤礦エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通信系統(tǒng)。圖2為本實(shí)用新型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。圖3為本實(shí)用新型的隔離式CAN總線通信電路。圖4為本實(shí)用新型的CAN標(biāo)稱比特時(shí)間。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，由エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)I和隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)2組成。所述エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)I為煤礦通信骨干網(wǎng)=IOOOMエ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。它除接入各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)外，將有線IP電話、無線移動(dòng)電話、人員定位系統(tǒng)、數(shù)字視頻系統(tǒng)都接入網(wǎng)絡(luò)。主干網(wǎng)通過エ業(yè)級(jí)交換機(jī)為全礦地面及井下各個(gè)子系統(tǒng)提供方便靈活的エ業(yè)以太網(wǎng)接ロ。地面調(diào)度控制中心通過服務(wù)器3完成煤礦各系統(tǒng)的監(jiān)控、人員安全感知、設(shè)備健康狀態(tài)感知等。所述CAN總線網(wǎng)絡(luò)2分布在井下，通過網(wǎng)關(guān)4分段接入骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下主要工作區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)變電站相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變電站的分布式移動(dòng)監(jiān)控。如圖2所不與圖3所不,本實(shí)施例中隔尚式CAN總線網(wǎng)絡(luò)由骨干網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)4和隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器5構(gòu)成。所述骨干網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)4完成CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與主干環(huán)網(wǎng)間的無縫連接。所述網(wǎng)關(guān)4以嵌入式單片機(jī)LPC2100為硬件控制核心，并結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UC/0S-II實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮yC/OS-II在實(shí)時(shí)性、可靠性方面的優(yōu)勢(shì)，使移動(dòng)變電站的監(jiān)控更及時(shí)，更可靠。所述隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器5采用ADM3052，它是ー款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)。ADM3052采用ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)，ADM3052CAN 收發(fā)器在4線CAN總線配置與微控制器之間提供5kVrms隔離，同時(shí)具有CAN總線規(guī)范所要求的物理層特性。在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建ー個(gè)完全隔離的接ロ。由于CAN總線系統(tǒng)通常用于連接多個(gè)移動(dòng)變電站，鋪設(shè)距離長(zhǎng)，因此總線和所連接的各系統(tǒng)之間的隔離非常關(guān)鍵。隔離可以防止CAN總線電纜網(wǎng)絡(luò)與連接至總線的系統(tǒng)之間過壓瞬變?cè)斐傻钠茐模瑫r(shí)消除網(wǎng)絡(luò)中的接地環(huán)路，減少信號(hào)失真和誤差，并防止電壓/接地失配影響電路。CAN總線要求通過電阻連接實(shí)現(xiàn)隱性狀態(tài)，并要求通過CANH和CANL的組合實(shí)現(xiàn)顯性狀態(tài)。數(shù)字隔離器并不支持這種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。因此，無法在CAN總線收發(fā)器與電纜之間插入數(shù)字隔離器。隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲比非隔離式CAN網(wǎng)絡(luò)要長(zhǎng),但ADM3052的傳播延遲顯著短于光耦，能以最高IMbps的數(shù)據(jù)速率工作。更短的傳播延遲意味著處理器與總線之間的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間更快，這在仲裁期間特別重要，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)必須決定哪一條消息享有優(yōu)先權(quán)并控制總線。因此，傳播延遲時(shí)間將決定數(shù)據(jù)速率和總線的最大容許線路長(zhǎng)度。圖4所示為CAN控制器標(biāo)稱比特時(shí)間的不同時(shí)間段。ー個(gè)CAN比特由四個(gè)獨(dú)立的時(shí)間段組成同步段(SYNC_SEG)、傳播段(PR0P_SEG)、相位段 I (PHASE_SEG1)和相位段 2 (PHASE_SEG2)。這些時(shí)間段可以在CAN控制器中進(jìn)行編程。CAN采用逐位仲裁方式，不同的節(jié)點(diǎn)可以爭(zhēng)奪總線訪問權(quán)，這就導(dǎo)致多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸節(jié)點(diǎn)必須對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以便確定它是否贏得仲裁。由于系統(tǒng)的傳播延遲，控制器必須補(bǔ)償各位采樣的時(shí)間。在控制器中設(shè)置PR0P_SEG可以提供此補(bǔ)償。
權(quán)利要求1.基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，利用煤礦井下主干通信網(wǎng)絡(luò)エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控，隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)分布在井下，通過隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建ー個(gè)完全隔離的接ロ，通過網(wǎng)關(guān)分段接入骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)井下主要工作區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)變電站相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)變電站的分布式移動(dòng)監(jiān)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為煤礦通信骨干網(wǎng)=IOOOMエ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述骨干網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)完成CAN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與主干環(huán)網(wǎng)間的無縫連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述網(wǎng)關(guān)以嵌入式單片機(jī)LPC2100為硬件控制核心。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于エ業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述隔離式CAN驅(qū)動(dòng)器采用ADM3052，通過它在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建ー個(gè)完全隔離的接ロ。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和隔離式CAN總線的移動(dòng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)。其特征是隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)間采用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用ADM3052進(jìn)行隔離式CAN總線物理層收發(fā)器設(shè)計(jì)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)變電站相互通信，將移動(dòng)變電站的運(yùn)行狀態(tài)通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器，進(jìn)而對(duì)移動(dòng)變電站進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。本實(shí)用新型將隔離式CAN總線網(wǎng)絡(luò)用于移動(dòng)變電站的長(zhǎng)距離串行通信，保障了煤礦惡劣環(huán)境中移動(dòng)變電站監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和物理安全性。
文檔編號(hào)H02J13/00GK202798144SQ20122028513
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者曲立國(guó), 黃友銳, 唐超禮, 徐善永, 凌六一 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)