Ethernet/IP通信协议在煤矿机电设备监控系统中的实现研究

摘要

随着计算机技术、信息技术以及工业现场总线技术的迅猛发展，煤炭生产正从传统的机械化采煤向自动化、数字化采煤升级，最终实现智能采煤的目标。然而现有的煤矿机电设备监控系统中，存在着设备点表不一致、通信规约落后不统一等问题，这些问题不仅增加了矿井机电设备监控系统的维护成本，而且严重的限制了监控系统的升级。为此，本论文提出将 Ethernet/IP通信协议定为煤矿机电设备通用通信协议，并基于该协议搭建“一网到底”的煤矿机电设备监控系统模型，规范机电设备参数点表，增强保护设备数据参数通信实时性，以便监控系统在采煤生产过程中起到更大的作用。
　　文章中首先对Modbus通信协议和Ethernet/IP通信协议做了分析，对比现有的采煤设备监控系统模型提出了基于Ethernet/IP协议的“一网到底”监控系统模型。针对现有的煤矿机电设备，为使其适应 Ethernet/IP通信协议，设计具有通信协议转换功能的Ethernet/IP智能网关，该智能网关可将设备现行的传统Modbus协议数据转换为符合 Ethernet/IP协议标准的数据，通过在采煤设备中加装该智能网关模块，使现有采煤设备实现基于Ethernet/IP协议的“一网到底”监控模型搭建。其次进行智能网关核心芯片的选择和重要接口电路的设计，以及智能网关软件操作系统、协议栈的移植。在程序应用层使用 C语言完成了面向对象的编程处理。
　　最后搭建了软件实验环境，利用两台电脑主机分别模拟 Ethernet/IP协议主站和Modbus从站，验证了智能网关的通信协议数据参数转换功能。软件实验测试完成之后，在神东大柳塔矿工作面Eickhoff采煤机保护装置上安装智能网关，搭建现场实验环境进行测试。实验结果证明采煤机通信参数能够以 Ethernet/IP通信协议标准进行数据收发，进而验证了“一网到底”的采煤机监控系统通信模型的可行性，为 Ethernet/IP通信协议在矿用机电设备监控系统中的进一步推广提供了技术方案支持。此外，分别对运行Modbus协议和Ethernet/IP协议的移动变电站监控系统通信网络进行了实时性实验测试，结果表明使用 Ethernet/IP通信协议的数据传输延时相对于传统监控系统减少了38.5％。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 煤矿机电设备监控系统的发展

1.3 采煤机生产监控系统的发展

1.4 本文主要研究工作

2 Modbus、Ethernet/IP通信协议解析及采煤机通信点表设计

2.1 OSI模型解析

2.2 监控系统现有通信协议解析

2.3 Ethernet/IP协议解析及设备点表设计

2.4 Ethernet/IP通信协议优点

2.5 本章小结

3 基于Ethernet/IP通信协议的采煤设备监控系统设计

3.1 采煤设备监控系统现有设计

3.2 采煤设备监控系统改造设计

3.3 本章小结

4 采煤设备Ethernet/IP智能网关的硬件设计

4.1 Ethernet/IP智能网关核心板的构成

4.2 Ethernet/IP智能网关主要外扩电路设计

4.3 Ethernet/IP智能网关整体结构设计

4.4 本章小结

5 采煤设备Ethernet/IP智能网关的软件设计

5.1 Ethernet/IP智能网关操程序架构

5.2 Ethernet/IP智能网关操作系统的选择

5.3 Ethernet/IP智能网关协议栈的组成

5.4 Ethernet/IP智能网关任务流程

5.5 Ethernet/IP智能网关开发环境搭建

5.6 本章小结

6 一网到底的采煤设备监控系统通信实验

6.1 采煤机Ethernet/IP协议点表转换

6.2 软件实验环境模拟测试

6.3 现场实验环境测试

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况

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