基于UML的EtherCAT礦井電力監控系統實時性研究

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(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

0 引言

煤礦井下電力監控系統為典型的分布式數據采集控制系統，EtherCAT的應用能夠解決傳統礦井通信網絡在確定性、實時性方面不足的問題[1]。目前，不少研究學者嘗試將EtherCAT通信用于礦井電力監控系統構建井下高壓綜合保護器、電力監控主站和從站中解決供電系統越級跳閘等問題[2-4]，然而對EtherCAT主從通信網絡構架下分析系統整體實時性卻未有涉及。

本文通過研究EtherCAT通信技術，采用UML(Unified Modeling Language，統一建模語言)對礦井電力監控系統通信網絡靜態結構與動態行為進行分析，建立系統仿真模型，并在實驗室條件下搭建實驗平臺，對EtherCAT通信網絡架構下的系統實時性進行實驗分析。

1 EtherCAT井下通信網絡

EtherCAT(以太網控制自動化技術)隸屬于Realtime Ethernet(RET，時以太網技術實)，由德國BECKHOFF于2002年開發，然后于2003年11月通過組建EtherCAT技術小組發布其技術。另外，EtherCAT是通過IEC標準(IEC/PAS 62407)和ISO標準(ISO15745-4)認證的國際標準協議，具有優異的同步特性和性能。特別的是，EtherCAT協議提供了出色的以太網兼容性，具有實現優異實時特性的優點，例如可以在以太網中實現最大化帶寬利用率等。EtherCAT相較于傳統現場總線技術和其余RET(Ethernet POWERLINK、ProfiNet、SERCOS III、Ethernet/IP)，具有良好的開放性、高速的數據傳輸率、低廉的構建成本和簡單的硬件組成等優點。EtherCAT網絡具有靈活的拓撲結構，可選擇搭建星形、環形、樹形、混合型等多種形式進行組網[5]，由于其不需要通過交換機就可以建立通訊，可以有效避免傳統GOOSE網受限于交換機數量及廣播風暴發生的問題[6]。

現今，煤礦井下高壓供電系統多采用一條進線帶多條出線的干線式供電網絡，且存在供電級數多，供電線路短的特點。煤礦井下電力監控系統為典型的分布式數據采集控制系統，EtherCAT的應用能夠解決如實時數傳輸、精準時鐘同步、靈活拓撲結構等諸多系統問題，同時以其微秒級實時傳輸效率，可以有效提高系統數據傳輸效率。

根據井下放射型干線式供電網絡配電點所在間隔及礦井電力監控系統特點。本文提出最簡化“一主多從”的EtherCAT環形通信網絡架構作為井下監控系統數據通路，其結構如圖1所示。

圖1 EtherCAT井下監控網絡

EtherGAT井下環形監控網絡，從站控制器(EtherCAT Slave Controller，ESC)的通訊端口為PORT0、PORT1、PORT2、PORT3，其中PORT0和PORT3端口的工作狀態為自動設定模式，自動設定模式下的ESC端口在檢測到無相應鏈接時候會自動關閉，保證其它部分正常工作。EtherCAT數據幀經過的路徑依次為主站、從站11、從站12、…、從站1n1、從站21、從站22、分站2n2、…、分站m1、從站m2、…、從站mn3然后原路返回到主站，實現數據的采集。

2 EtherCAT網絡構架總體建模

以EtherCAT通信為對象，采用UML對整個礦井電力監控網絡的需求、結構、狀態、行為等各方面進行模塊化分層設計，清晰地反映出網絡中各模塊間的關系。圖2中系統總體建模可分為系統通信網絡靜態分析：系統功能需求用例圖、接口類圖、網絡構架組件圖；動態分析：數據配置活動圖、數據傳輸序列圖；根據UML分析建模，通過搭建實驗仿真平臺對該網絡框架進行驗證。

圖2 系統總體建模分析

3 UML靜態建模分析

在靜態建模過程中，主要利用UML用例圖、組件圖和類圖構建[7]。

3.1 建立用例圖

礦井電力監控系統通信網絡主要功能完成操作人員、主站與從站三者之間數據的傳輸、處理、傳輸、控制和存儲。除此之外，還有井下現場傳感器備實現信息的采集。從站相當于防爆開關中的綜保器，對遠程操作者或主站自動發送的控制命令進行執行[8]。

通信網絡是為網絡連接的各模塊服務，因此，需要分別從操作者、主站、從站和現場傳感器設備的角度來實現其具體功能。如表1所示。

表1 參與模塊用例分析

用例間總是存在著如泛化、包含和擴展等關系，所以經過需求分析確認的用例并非全部顯現在用例圖中。經過用例的分析找出用例間的關系和適合在用例圖中使用的用例，在用例關系確定后，結合表1，通信網絡最終用例與參與模塊的關系，如圖3所示。

圖3 監控系統用例圖

3.2 建立類圖

類圖是系統通信設計階段關鍵一環，是實現用例的邏輯解決方案[9]。分析系統整體用例圖(圖3)可知，一個完整的基于EtherCAT礦井電力監控系統包含EtherCAT主站、從站與傳感器設備，采用UML面向對象技術分析與設計系統中的各個類，其構成與關系如圖4所示。

圖4 接口及實現類圖

系統類包括：主站、從站、傳感器設備與EtherCAT相關接口類，每個類中封裝了不同對象的具體功能(體現用例需求)，例如主站類中操作類型包括初始化、接收從站數據、處理數據、下發指令等操作，同時主站類直接調用EtherCAT相關接口類與通信網絡中從站及傳感器設備進行數據交互。

3.3 建立部署圖

面向對象技術(Object-Oriented Technology)在實現系統物理建模有兩種方式圖，即組件圖與部署圖[10]。本文采用“部署圖+組件圖”描述系統通信網絡總體框架。基于EtherCAT通信網電力監控系統的組件主要包括操作人員、主站、從站三部分。主站：用戶界面、網絡接口、存儲單元、數據庫、EtherCAT接口、驅動單元；從站：ESC、從站微處理器和傳感器模塊。部署圖用來建模通信系統上的物理部署，主要涉及物理結構與它們間的關系，如圖5所示。

圖5 監控系統物理組件圖

ESC作為整個通信網絡的“協議控制單元”，是EtherCAT協議具象化的實體表現，在通信網絡中，除首個從站以外，其余每個從站ESC都必須以相應的規則對上一從站發送的數據幀進行接收、處理和發送，處理方式根據數據幀中攜帶的相關指令來選擇。對主站指令進行處理，需要ESC提供一定的操作空間，包括處理“控制”命令和選擇主從通信通道的相關寄存器，而且ESC可以通過“邏輯控制單元”(Fieldbus Memory Management Unit，FMMU)完成主從“邏輯空間”到“物理空間”的關系映射。FMMU位于每個ESC內部，經主站配置后，在激活通信網絡過程中下發至從站，當主站進行邏輯尋址，可以根據數據幀中的邏輯地址和已經設置好的映射關系尋址到多個從站，然后進行相應的操作，所以FMMU有效減少了主從通信過程的系統用時。

至此，系統通信網絡的靜態模型已經建立。在靜態建模過程中，首先對網絡內各模塊功能進行分析，確定模塊的用例及其之間的關系。然后，通過部署圖對系統通信網絡物理方面進行建模，確定通信網絡內所有模塊內部各個組件之間的關系，完善靜態模型，為動態模型仿真驗證鋪墊。

4 UML動態模型分析

UML動態模型描述了系統通信網絡內各模塊動態行為的各個方面[11]，利用活動圖、序列圖對系統進行動態分析建模。

4.1 系統活動圖

礦井電力監控系統通信方式主要分為具有實時性的周期通信和非實時性郵箱通信(Mailbox)，例如具有實時性的線路電流、電壓模擬量監測和非實時性從站參數配置。系統通信可通過控制狀態機狀態改變分為初始化Init、預操作Per-operation、安全操作Safe-operation和操作Operation四種狀態，每一種狀態下實現不同功能，用UML活動圖表示如圖6示。

圖6 系統UML狀態圖

狀態機在不同狀態及狀態轉換期間具體操作為：

1)Init狀態，服務層配置數據鏈路層信息寄存器、地址寄存器并且設置應用層控制寄存器，配置用于郵箱通信(Mailbox)的同步管理器通道，初始化分布時鐘寄存器，這個階段主要是驗證從站設備是否存在，以及型號是否正確之后等待從站應用層確認；

2)Per-operation狀態，啟用Mailbox，主站配置用于PDO的SM、FMMU、應用層狀態請求寄存器，同時進行狀態轉化，等待狀態確認；

3)Safe-operation狀態，繼續Mailbox，實現過程數據PDO通信，并發起狀態轉換請求等待確認；

4)Operation狀態，實現數據接收與傳輸的通信操作。

注意，從站的狀態不能高于主站。比如，主站正在Per-operation狀態，從站不可能轉換到Operation狀態。通常情況下，狀態切換是固定的，不受人為操作影響。但在某些特殊情況，比如，要修改從站的參數，而某些參數禁止在Operation狀態下修改，這時就必須要切換狀態。

4.2 系統序列圖

為了分析各模塊間動態聯系，體現對象間信息交互的時間順序，以參數配置信息為例，建立系統啟動過程中參數配置數據傳輸的UML序列圖，如圖7所示。序列圖描述對象如何交互，有效反應消息傳遞情況，并將重點放在消息序列，清楚系統各模塊如何交互[12]。

圖7 數據交互序列圖

數據傳輸經過操作員、主站、從站(ESC和從站MCU)最后到達傳感器設備，然后返回，其過程主要有：

1)操作員通過EtherCAT主程序發送主站和從站之間的通信指令，并激活ESC內通信通道；

2)EtherCAT幀傳送到ESC時，ESC向從站MCU發送中斷信號；

3)～4)接收中斷信號的從站MCU將CS(Chip select，片選信號)固定到ESC并接收經由ESC發送的數據幀；

5)～6)從站MCU發送CS到硬件模塊，然后傳輸數據；

7)～11)返回數據經過從站MCU片選到ESC模塊，經過ESC模塊傳輸，返回數據到達EtherCAT主站，完成系統整體啟動。

5 系統實現及測試分析

5.1 實驗平臺

基于以上監控系統分析建模，以Visual Studio.NET、TwinCAT為開發工具，在Windows XP操作平臺上制定了基于EtherCAT環形網絡架構的煤礦井下電力監控系統。系統網絡包括主站工控機、PLC控制器從站、EtherCAT環網和搭建的井下三級干線式供電網絡。監控系統主站工控機裝有直接內存存取(Direct Memory Access，DMA)功能的網卡，傳輸介質為標準的5類UTP線纜，并且通過RJ45接口連入EtherCAT總線網絡中，工控機上運行監控軟件，實現對供電網絡的狀態監測、繼電器狀態監測以及對從站掛載傳感器硬件模塊數值進行顯示、處理和控制；供電網絡為典型的煤礦井下三級干線式，每一級分為一條進線和兩條出線；通信網絡為EtherCAT環形網絡；從站由“協議芯片”ESC和實現具體應用的從站微處理器(Microcontroller Unit，MCU)組成，其掛載傳感器模塊有模擬量采集、開關量輸入、繼電器控制和電源四個硬件模塊，從站設備一共有9個，分布在供電系統網絡不同進、出線位置。

5.2 實驗結果分析

為了分析這種通信架構下系統的數據傳輸實時性，對比測試了兩種典型情況下數據傳輸性能：

1)正常情況下主從模擬量數據傳輸時延；

2)短路故障情況下主從數字量數據傳輸時序。

下面，在實驗室仿真平臺上對以上兩種情況進行測試并對結果進行分析。

首先，利用自耦變壓器得到幅值為60 V的三相電壓，在TwinCAT PLC Control中設置系統數據采集頻率為1000 Hz，啟動系統。接著，在正常通信情況下采用WireShark抓取主站與第三級供電系統網絡最后出現處從站(系統連接的第9個從站)之間的數據包，如圖8所示。

圖8 WireShark抓包結果顯示

該報文共64字節，首先是14字節的網絡頭，其中包括6字節源地址、6字節目的地址、2字節EtherCAT網絡類型；然后是EtherCAT數據，其中包含2字節EtherCAT幀頭(在圖中藍底顯示區)，可以看到幀頭為EtherCAT報文專用幀類型0x88a4，子報文工作計數為2字節。由圖中可以看出，在正常情況下，數據報文延時為1us，且經過對不同位置從站進行抓包分析可得，從站位置不同對系統響應時間幾乎沒有影響。

最后，設置從站32處發生ac兩相短路故障，利用TwinCAT Sampling Trace功能對主從數字量數據傳輸時序進行測試分析，如圖9所示。

圖9 故障信號傳輸時序圖

在第t1=615 ms時主站接收到的電流數據開始變大，表示發生了短路故障，同時從站向主站上送的故障信息由0變為1，表示第三級配電點出線過流信息。在第t2=660 ms t時電流開始變小，從站向主站上送的故障信息由1變為0，故障信息消失。在忽略繼電器固有動作時間的情況下，從檢測到故障信息到發出跳閘指令完成故障切除，一共耗時：

t1-t2=45 ms

按照相關要求，井下發生短路故障時，排除時間不得大于200 ms，經過多次對不同從站實驗分析可得：短路故障情況下主從數字量數據時序傳輸用時極短，數據傳輸效率高。

實驗結果分析：在正常通信與故障發生時，EtherCAT通信網絡都能夠實現主站與從站之間的實時通信，尤其在故障發生情況下，系統數據傳輸實時性表現優異。

6 結語

本文通過對EtherCAT主從通信模式研究，結合實際井下配電系統情況，提出采用EtherCAT環形網絡最簡化網絡拓撲結構，并采用UML建立系統通信網絡模型，在實驗室完成仿真平臺搭建，驗證系統通信實時性。實驗結果表明EtherCAT應用于煤礦井下電力監控通信網絡系統中具有很高的通信實時性，能夠為后續基于EtherCAT通信網絡的煤礦井下電力監控系統發展提供技術支持。