工业以太网在煤矿膏体充填系统中的应用

摘要：设计了一种用于煤矿井下的工业以太网交换机，给出了硬件和软件设计的基本原理，在煤矿井下首次实现了宽带数据通信。
关键词：矿井；工业以太网；交换机；监测监控

0 引言
　　对煤矿生产中的各个生产与保障环节的主要参数进行各种各样的监测与控制是煤矿安全生产的重要保障。在我国，传统的监测监控系统主要有KJ4系统、KJ90系统、KJ95系统等，这些监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成。虽然这些监测监控系统在我国煤炭安全监测监控领域曾经发挥了巨大作用，但随着煤矿生产的发展和自动化程度的不断提高，这些系统固有的传输速率低、缺乏统一的通信协议标准和网络结构等缺陷已经不能适应建设高产高效现代化矿井的需要。现代煤矿生产必须改造传统的功能单一的生产、安全调度指挥系统，建立一个数字化的网络信息平台，实现矿井乃至全矿区的信息化和综合自动化。煤矿急需新的技术，以带动全矿综合自动化程度的提高，促进煤矿生产向高产高效方向发展。

1 工业以太网简述
　　与包括现场总线在内的其它控制网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大等诸多优点，在技术、速度和价格等许多方面都有着其它网络无可比拟的优势。随着以太网性能的提高和解决以太网实时性问题的技术不断推出，将以太网应用于工业现场将是工业控制领域的必然选择。
　　目前，工业以太网在地面上已经有实际应用。国家煤矿安全监察局有关领导和专家在新近举行的制定《煤矿安全监测监控系统安全条件》研讨会上提出，使用工业以太网作为井下的主干传输网络、现场总线作为连接传感器等现场设备的网络，应当是近期内矿井传输网络的研究重点和建设方向。可以预见，工业以太网也将是未来矿井宽带通信网络建设的必然选择。
　　矿用工业以太网交换机是用于建设煤矿井下工业以太网的产品，设计中采用了高性能以太网交换机芯片和网络处理器芯片，具有工业级的可靠性和实时性，能满足在井下恶劣环境中长期、稳定工作的需要。

2 硬件设计
　　矿用工业以太网交换机的设计分硬件设计和软件设计2个部分。硬件设计符合《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》和《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》等技术标准，电路从功能上可分为2个部分：以KS8999芯片为主的交换电路部分和以$3C4510B芯片为主的控制电路部分。

　　其中KS8999芯片是一款高性能以太网交换机芯片，负责各个端口之间的数据包转发，芯片背板带宽高达2Gbps，包含8个10M／100M自适应以太网接口和1个10M／100M的MII接口，另外有8组LED指示灯接口，可以用于指示端口的连接、速率、冲突等状态，便于监视交换机各端口的运行情况。
　　$3C4510B芯片为网络处理器芯片，其内部使用ARM7处理器内核，主频为5OMHz。网络处理器芯片也包含1个MII接口，交换机芯片与控制芯片之间通过该接口连接，完成2个芯片之间的数据交换。通过控制芯片可以启动各种服务程序，如串口服务器、WebServer等，以使用户很方便地通过网络或其它方式管理和控制交换机。芯片上的JTAG接口用于在开发过程中在线监视程序运行情况，并在设计完成后，将程序写入FIASH。KS8999和$3C4510B芯片的核心电压分别为+2V和+3．3V。
　　因为高速线路板对电源纹波特性有较高要求，一般在芯片的电源输入端，纹波不能大于电源电压的5，因此选择较为常用的+5V电源输入，使用2个性能可靠的可变输出电源模块MIC29302，可输出纹波很小的+2V和+3．3V稳定电压。
　　PulseH1164是以太网物理层隔离变压器芯片，提供4路以太网接口，主要作用是滤波和隔离。EEPROM是一个128B的存储器芯片，存储了交换机的各种配置信息，如VIAN、端口优先级、端口速率等。交换机在上电或复位时，会通过存储器接口读取EEPROM中的信息，完成交换机的基本功能设定。另外，EEPROM也通过IIC总线与控制芯片$3C4510B连接，这样，控制芯片可以通过读写EEPROM中的数据实现对交换机功能的管理和控制。
　　2MB的FLASH是闪速存储器芯片，用于存储软件程序。考虑到FIASH的读写速度相对较慢，交换机上电或复位时，FIASH中的程序会自动加载到容量为4MB的SDRAM中执行，以提高运行速度。

3 软件设计
　　在硬件设计并调试完成的基础上，需要编写软件以对交换机进行管理和控制，实现VIAN划分、端口优先级设置等功能。系统软件通过网络处理器芯片的JTAG接口写入FIASH芯片中。在交换机上电启动后，软件程序自动加载到SDRAM中运行。软件主要分为3个部分：IIC总线控制程序、webServer程序、串口服务器程序。
3．1 IIC总线控制程序
　　IIC总线控制程序是实现各种控制程序的基础，网络处理器芯片$3C4510B即是通过该程序读写EEPROM，从而对交换机进行各种配置，webServer和VT100都需要调用IIC总线程序，将用户所填写的控制信息写入EEPROM，或者读取EEP—ROM的内容以了解交换机的工作状态。
3．2WebServer程序
　　启动webServer服务后。用户可以在服务器上通过IE浏览器对交换机进行管理和控制，方便而且直观地实现各种控制功能，并可以查看交换机的工作情况。为防止未知用户对交换机随意改动，程序设定需要登录才能访问交换机，修改数据。
3．3串口服务器程序
　　为方便在设备安装之前对交换机进行一些基本的设定，设计了串行接口电路，用户可以使用串行总线连接交换机与工业控制计算机，通过交换机的超级终端程序访问交换机，并配置其IP地址等参数。

4 防爆设计
　　由于井下环境极其恶劣，所以除了在硬件设计的时候需要考虑电路板的电气特性以外，还需要设计交换机的防爆外壳。
　　外壳的设计参照《煤矿安全规范》、《煤矿设计规范》、《爆炸性环境用防爆电气通用设备要求》、《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》、《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》等技术标准，要求产品能够通过振动、冲击、淋水、湿热、高低温工作、电压波动等1O多项安全检测，确保能够安全运行在井下有爆炸性气体的环境中。

5 应用方案
　　通过井下阻燃光缆或阻燃五类线，矿用工业以太网交换机可以直接和各种支持工业以太网标准的分站、摄像仪、集控系统等设备连接，或者通过接入网关设备，将不支持以太网标准的监测监控系统接入交换机。

6 结语
      矿用工业以太网交换机是新型的煤矿井下通信产品，支持标准的TCP／IP协议和IEEE802．3u协议。