基于郑煤机自动化控制系统综采工作面数据集中传输的探索与实践

李宗波

国家能源集团宁夏煤业有限公司红柳煤矿 宁夏银川 750000

摘要：详细了解了国内自动化采煤工作面的数据传输后，为了解决自动化采煤工作面远距离的数据传输问题，根据郑煤机自动化控制采煤工作面的现状，结合红柳煤矿I010402自动化工作面郑煤机自动化控制系统的数据传输实际经验，在红柳煤矿I010401自动化工作面进行了工作面数据集中传输的探索，利用了工作面的自有系统用以太网数据传输代替了传统的CAN数据传输，为自动化工作面的数据传输开辟了新途径。本文就自动化工作面的远距离数据传输新途径进行了探索和对其探索过程中遇到的难题进行了详细的解决说明，实现了自动化工作面的数据远距离集中传输，为智能化采煤工作面建设提供了基础依据。

关键词：自动化；远距离数据传输；新途径；智能化采煤；以太网；CAN总线；CAN转以太网

引言

近年来，随着计算机网络通信技术的高速发展，各行业的自动化、信息化、智能化的稳步有序的高速推进，煤矿采煤工作面近十年的自动化建设和实践应用，国家八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展指导意见》^[1]明确了煤炭行业工业智能化发展方向，吹响了我国煤矿智能化建设的号角，2021年年初全国矿山安全生产工作会议的召开，标志着煤矿采煤工作面已迈进了智能化建设的门槛。而智能化工作面往往由多个板块构成，尤其是工作面的数据传输是最基本的基础建设，它是工作面能否实现智能化起着决定性的因素，有必要探索和研究工作面的数据传输。

1 概况

红柳煤矿I010401综采工作面使用的以郑煤机为控制系统的自动化成套设备，配备西安MG620/1660-WD型第三代煤机、天地奔牛的36DCD刮板输送设备工况监测系统（以下简称：输送机监测）以及郑煤机的电液控系统和工作面视频监控系统，工作面平均采高在2.5米左右，采用郑州煤机的ZY10000/15/32D型液压支架和电液控系统。该套设备于2020年10月到矿安装于I010402综采工作面进行调试安装使用后于2021年8月直搬至I010401综采工作面。

2 探索的触发点

在I010402综采工作面时按郑煤机原设计自动化安装方案（图一）安装使用，工作面到电气列车集控仓的数据全部使用can总线进行传输；设备直搬I010401综采工作面后，电气列车位于工作面之外的联络巷内，集控仓至工作面刮板运输机机头的距离超过两千米，液压支架数据无法传输至集控仓自动化主机，采煤机和输送机监测数据亦无法传送至电气列车，如此就不能实现工作面的自动化，无法实现远程控制和数据收集，综采工作面的自动化实现就无从谈起。工作面视频监控系统采用的光纤传输，如若将数据引入以太网中就很好的解决了这一难题，经咨询郑煤机厂家专业技术人员得知该套设备工作面配置的KJJ12型交换机中集成了“CAN转以太网模块”和留有以太网接口并经过测试结果是其功能可正常使用，此种传输方式在郑煤机自动化控制系统应用后还未进行过真正的实践应用，仅是理论可行。

3 以太网传输的原理

3.1 液压支架的数据传输

液压支架传输的数据量大，需要传输液压支架的行程、压力、姿态、采高、煤机位置、动作状态等信息，原设计的数据上传和远程控制是经过配备的数据接口将波特率转换为50K后通过专用的CAN总线传输至控制台，现将数据接口传输出的数据接入2#液压支架的KJJ12交换机CAN转以太网接口，将此交换机配备专用的IP地址，同样在电气列车的KJJ160交换机中放置一个专用IP地址的CAN转以太网模块，将这两个IP地址互设为目标IP，同时接受和发送，再将转换后的CAN数据接入自动化主机内，就完成了液压支架的数据传输。

3.2 采煤机的数据传输

原设计的采煤机数据传输是通过采煤机电缆内的CAN总线或者光纤进行传输，采煤机电缆存在被挤破或者其他风险，同样CAN总线传输有着距离限制，如若使用采煤机电缆内部的光纤因接头处的位置狭小，故障率非常高，可靠度低，一旦电缆出线故障光纤无法再次熔接。现将采煤机数据通过工作面的采煤机电缆内的CAN总线传输至刮板转载机机身段，从采煤机电缆专用连接器（上海蓝昊LBG2-500/3.3G）的光纤接线腔内引出至6#液压支架的KJJ12交换机的“CAN转以太网”接口内，将此交换机配备专用的IP地址，在电气列车的KJJ160交换机内使用液压支架使用的CAN转以太网模块的另一通路，将这两个IP地址互设为目标IP，同时接受和发送，再将转换后的CAN数据接入自动化主机内，就完成了采煤机的数据传输。

3.3 输送机监测的数据传输

原设计输送机监测的数据传输是工作面各传动部分站通过CAN总线串接后，转载机传动部与电气列车的输送机监测总站再通过专用的CAN总线进行连接，总站通过485转以太网后将数据传输至集控仓自动化主机，以此来实现数据传输。现将监测总站安装在转载机上，设置独立的IP地址，直接通过以太网与单端连接器相连接将数据接入2#支架KJJ12型交换机网络接口，在集控仓自动化主机上直接读取总站的数据，实现输送机监测的数据传输。如图二所示

4 两种方案的差异

4.1 CAN总线传输的特点及局限性

CAN总线的数据传输具有突出的可靠性、实时性和灵活性。主要表现在CAN为多主方式工作，节点可分成不同的优先级，数据出错率极低。但不能与以太网互连，不能实现信息共享，不易于上位控制机直接接口，设备成不高，传输速率慢，距离短。

4.2 以太网传输的特点及局限性

以太网是一种标准开放式的网络，其组成的系统兼容性和互操作性能高，资源共享能力强，传输距离长、传输速率高，成本低、易组网，接口兼容性强。但其安全性能差，故障容易扩散，数据实时性差，抗干扰能力弱。

根据现场实际情况，传输距离远、数据流量大等特点，选择以太网传输节约了自工作面至电气列车的三趟CAN总线，减少了设备的安装和后期使用中的维护工作量，共用了工作面视频监控系统光纤传输，减少了沿途的电磁干扰，提高了传输速度，且长距离传输问题迎刃而解。

5 现场中遇到的难题及解决方案

5.1 支架数据传输接入以太网时CAN总线对接故障

支架数据自数据接口（郑煤机）输出后使用郑煤机的CAN总线接入2#支架的KJJ12型交换机后，交换机接受不到数据，但是使用CAN卡测试数据接口正常发送数据，经过实际分析导致此类现象有两个问题，一是交换机内的CAN口是无效的，二是数据接口至交换机的连接器有问题。通过集控仓自动化主机给2#支架交换机发送数据，在交换机CAN接口测得数据的方法排除问题一；经过分析判断问题二根源在于使用一根CAN连接器时数据接口输出口CAN线与交换机CAN接口的CAN线错位导致无法传输数据，解决方法是使用两个单端连接器将数据接口和交换机的CAN线对接，成功解决此问题。

5.2 采煤机数据传输中遇到的问题及解决方法

经过液压支架数据传输的成功实现，采煤机数据传输使用CAN转以太网在理论上是可行的，但是在现场实际中总是出现一些意想不到的问题，比如采煤机数据输出没有问题，但是集控仓无法测到数据，以太网两边的CAN线高、低顺序问题等，针对采煤机数据传输每步的排查方法梳理如下，首先确保采煤机自身的数据输出没有问题，在输出点使用CAN卡进行测试，确保接入6#支架交换机的接头与交换机CAN口的接线对应后，远程使用笔记本电脑代替交换机内的CAN转以太网模块，模拟接受数据（注意此处CAN线高低的对应），数据接受成功后（因此段光纤传输，电气列车的CAN转以太网亦成功接受数据），在集控仓的自动化主机上测试数据（此处亦注意CAN线高低的对应），郑煤机与西安煤机配好点检表后应能成功接受数据显示。

参考文献：

1. 国家发展改革委,国家能源局,应急部,国家煤矿安监局,工业和信息化部,财政部,科技部,教育部.关于加快煤矿智能化发展的指导意见[EB/OL].(2020-03-02)[2021-01-22].http://www.ndrc.gov.cn

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2. 郑州煤机液压电控有限公司.郑煤机液压电控自动化系统使用说明书

3. 中国通讯学会.对话通信原理.人民邮电出版社

4. 钱霄杰,殷勤,朱超群,刘茂兵.CAN总线的输送控制系统集成化研究.单片机与嵌入系统应用.2021-11-01.

5. 张廷荣.基于工业以太网和CAN总线的煤矿监控系统设计.自动化与仪器仪表.2013-01-25.