一種掘進(jìn)皮帶一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案分析

張戰(zhàn)國(guó)

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇常州213015）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，控制任務(wù)繁瑣、要求嚴(yán)格[1]。掘進(jìn)巷道內(nèi)工作線長(zhǎng)、機(jī)械設(shè)備多[2]，掘進(jìn)皮帶負(fù)責(zé)將矸石運(yùn)出巷道，掘進(jìn)皮帶的電氣部分包括動(dòng)力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩個(gè)主要組成。礦用組合開(kāi)關(guān)具有簡(jiǎn)化電纜連接、減少占地面積、減少供電線路的電壓降損耗、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)[3]，因而其在掘進(jìn)皮帶動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而PLC由于具有性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、編程靈活等特點(diǎn)[4]，在帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)和工作面通信控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。掘進(jìn)皮帶的電控系統(tǒng)大多都是采用PLC作為控制核心，同時(shí)配備數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)，與皮帶沿線的拉繩閉鎖裝置進(jìn)行通信。

現(xiàn)有的掘進(jìn)皮帶應(yīng)用中，組合開(kāi)關(guān)和電控系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，兩者通過(guò)硬接線或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行聯(lián)系，在掘進(jìn)巷道中是分別布置的，這種方式存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）占用空間較多，使巷道更加擁擠；

（2）組合開(kāi)關(guān)中有PLC和顯示屏，電控系統(tǒng)中也有PLC和顯示屏，其功能本可以合并，但卻在兩套系統(tǒng)中各有設(shè)置，提高了成本。

為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種一體化的電控裝置，將電控系統(tǒng)的皮帶機(jī)頭控制部分放入組合開(kāi)關(guān)，電控系統(tǒng)與組合開(kāi)關(guān)共用同一個(gè)PLC和顯示屏，以減少皮帶機(jī)頭占用的空間，也能節(jié)省成本。這種方案的關(guān)鍵是重新設(shè)計(jì)電控裝置內(nèi)部的通信方案，保證通信穩(wěn)定高效。本文主要介紹一體化電控裝置數(shù)據(jù)通信方案的設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案

現(xiàn)有組合開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)通信方案如圖1所示。

圖1 組合開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)通信方案

動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中包含有各個(gè)回路的數(shù)據(jù)，例如電壓、電流、隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。顯示屏通過(guò)RS485接口讀取動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)，向用戶進(jìn)行展示，同時(shí)用戶可以通過(guò)顯示屏對(duì)回路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。動(dòng)力系統(tǒng)的PLC通過(guò)RS485接口從網(wǎng)關(guān)中讀取數(shù)據(jù)，PLC根據(jù)各個(gè)回路的狀態(tài)對(duì)回路的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多回路聯(lián)動(dòng)的邏輯。上位機(jī)通過(guò)RS845接口連接PLC，上位機(jī)可以是地面集控系統(tǒng)，也可以是掘進(jìn)皮帶電控系統(tǒng)。

這種方案存在的主要問(wèn)題是PLC實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，上位機(jī)想要讀取回路數(shù)據(jù)，必須通過(guò)PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。PLC是可編程控制器，邏輯控制是其核心功能，在數(shù)據(jù)量大的情況下，讓其做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作會(huì)影響其邏輯處理的響應(yīng)速度，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

2 現(xiàn)有電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案

現(xiàn)有掘進(jìn)皮帶電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方案如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)皮帶電控系統(tǒng)通信方案

電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接掘進(jìn)皮帶沿線的拉繩閉鎖開(kāi)關(guān)和傳感器，拉繩閉鎖開(kāi)關(guān)的數(shù)量、狀態(tài)和各種傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。電控系統(tǒng)的PLC通過(guò)RS485接口從網(wǎng)關(guān)中讀取掘進(jìn)皮帶沿線的數(shù)據(jù)。顯示屏通過(guò)以太網(wǎng)接口從PLC讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。電控系統(tǒng)中設(shè)置有交換機(jī)，可以擴(kuò)展一路網(wǎng)口，此路網(wǎng)口用于連接上位機(jī)，上位機(jī)是指井下集控系統(tǒng)或地面集控系統(tǒng)。

掘進(jìn)皮帶沿線主要包含拉繩閉鎖開(kāi)關(guān)和各種傳感器，這些數(shù)據(jù)涉及到皮帶的急停，事關(guān)安全，所以需要較高的實(shí)時(shí)性。在各種現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN總線具有較好的實(shí)時(shí)性，因此，多數(shù)皮帶電控系統(tǒng)的沿線傳輸采用CAN總線。CAN總線是一種多主結(jié)構(gòu)，總線上的節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間先后獲得總線控制權(quán)，當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用基于數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級(jí)的無(wú)損仲裁方法，確保實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。在總線空閑的時(shí)候，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)起數(shù)據(jù)，這相對(duì)于主從輪詢結(jié)構(gòu)的總線，拉繩閉鎖開(kāi)關(guān)或傳感器的數(shù)據(jù)能在更短的時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)骄蜻M(jìn)機(jī)頭。多數(shù)PLC具有RS485接口，但并不具有CAN總線接口，因此在電控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)到RS485數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

這種方案存在的主要問(wèn)題依然是PLC實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，加重了PLC的負(fù)荷，不利于控制邏輯的穩(wěn)定。PLC的優(yōu)勢(shì)在于邏輯控制而非數(shù)據(jù)處理，因此，用PLC做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是電控系統(tǒng)中的一個(gè)不穩(wěn)定因素。相對(duì)于PLC，顯示屏具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，完全可以由顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這是電控系統(tǒng)可以改進(jìn)的地方。

3 一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案

掘進(jìn)皮帶一體化電控裝置是將電控系統(tǒng)機(jī)頭部分的組件放入組合開(kāi)關(guān)中，可以節(jié)省一部分外殼成本，同時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)共用PLC和顯示屏，優(yōu)化內(nèi)部通信方案，使通信更加簡(jiǎn)潔高效。保留原有電控系統(tǒng)的PLC和顯示屏，其具有更豐富的通信接口。

一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案如圖3所示，其特點(diǎn)如下：

（1）電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上增加1路RS485接口，同時(shí)增加1路RS232-RS485轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)顯示屏通過(guò)RS232接口與電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通信；

（2）電控系統(tǒng)PLC通過(guò)RS485接口與動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接，讀取必要的組合開(kāi)關(guān)回路控制數(shù)據(jù)；

（3）電控系統(tǒng)PLC通過(guò)RS485接口與電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接，讀取與皮帶啟停、急停相關(guān)的數(shù)據(jù)；

（4）顯示屏可以與動(dòng)力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)直接通信，無(wú)需通過(guò)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；

（5）顯示屏將一體化電控裝置中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，并通過(guò)以太網(wǎng)接口連接上位機(jī)。

這種方案中，原有系統(tǒng)大部分硬件無(wú)需改動(dòng)，僅在電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)增加1路RS485接口和1個(gè)RS232-RS485轉(zhuǎn)換器。PLC只做邏輯控制，只通過(guò)RS485讀取跟控制相關(guān)的數(shù)據(jù)，顯示屏負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯集及轉(zhuǎn)發(fā)，PLC和顯示屏都很好地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，通信流程更加清晰，通信效率更高。

4 結(jié)語(yǔ)

圖3 一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案

掘進(jìn)皮帶一體化電控裝置可以減少掘進(jìn)皮帶巷的設(shè)備數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，節(jié)省布局空間，而數(shù)據(jù)通信方案是實(shí)現(xiàn)一體化的關(guān)鍵部分。本文介紹了現(xiàn)有皮帶電控系統(tǒng)和組合開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)通信方案存在的問(wèn)題，闡述了一體化電控裝置數(shù)據(jù)通信方案的特點(diǎn)，對(duì)比分析可知，一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案組件更簡(jiǎn)潔、功能劃分更清晰合理、通信效率更高。此方案的效果已在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證，對(duì)于組合開(kāi)關(guān)和皮帶電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。