基于CAN/FDD-LTE傳輸?shù)倪x煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺設(shè)計

丁玉紅

(西山煤電集團(tuán) 屯蘭選煤廠， 山西 太原 030026)

0 引言

選煤廠機(jī)電設(shè)備任務(wù)繁重，日運(yùn)行時間可達(dá)8～20 h,一次啟動的設(shè)備可達(dá)20～30臺，安全閉鎖、聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜,機(jī)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣,勞動強(qiáng)度大[1-2]。因此，設(shè)計并實現(xiàn)選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺成為改善工人勞動環(huán)境和提升選煤廠智能化水平的迫切要求。

黃孝奎等[3]建立選煤機(jī)電設(shè)備視頻隨動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、選煤生產(chǎn)集控平臺的聯(lián)動控制，消除選煤廠機(jī)電設(shè)備之間通信障礙和控制“孤島”問題，實現(xiàn)選煤過程的智能化控制，達(dá)到“無人則安”的本質(zhì)安全目標(biāo)。楊海源等[4]在陜煤神木張家峁選煤廠實現(xiàn)了基于三維信息化控制系統(tǒng)的選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控技術(shù)，提升了選煤廠監(jiān)控平臺的集約化和標(biāo)準(zhǔn)化管理，實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的無人值守，有效提高了生產(chǎn)效率。張傳偉等[5]針對選煤廠生產(chǎn)環(huán)境惡劣、電纜損壞率高的問題，提出一種以CP340為核心模塊的無線通信選煤廠監(jiān)控方案，并對無線通信的可靠性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示該無線通信方案數(shù)據(jù)傳輸可靠，滿足選煤廠監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)時延的要求。王槊華等[6]在寧東選煤廠搭建綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺，采用KEPServer Enterprise采集各系統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)、各工藝段運(yùn)行參數(shù)，實現(xiàn)選煤廠視頻、音頻、數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控。陳震等[7]以iFIX組態(tài)軟件為上位機(jī)開發(fā)平臺，以Modicon M340 PLC為下位機(jī)控制系統(tǒng)，由TCP/IP作為數(shù)據(jù)傳輸模式，實現(xiàn)選煤廠集中控制系統(tǒng)的仿真和模擬實驗，人機(jī)界面友好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。張永清等[8]將PLC作為監(jiān)控平臺的核心控制部件，實現(xiàn)選煤廠全部設(shè)備信號、數(shù)據(jù)的監(jiān)控，并在王家?guī)X選煤廠投入使用，提升了選煤廠的自動化管理水平。國外如Beiley選煤廠利用WIFI+TCP/IP通信技術(shù)，基于二維/三維動態(tài)顯示實現(xiàn)了全選煤廠的自動化，處理能力可達(dá)800～1 500 t/h，每班工作人員不超3人[9]。

現(xiàn)有對選煤廠監(jiān)控平臺的方案設(shè)計中，以機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)展示為主，對設(shè)備的控制研究相對較少，且監(jiān)控系統(tǒng)獲取的機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)較多，利用通信方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時，存在傳輸時延較大甚至發(fā)生傳輸擁塞，導(dǎo)致急停、閉鎖等控制指令無法傳送而導(dǎo)致重大安全事故。以PLC控制器為核心，CAN(有線)與FDD-LTE(無線)通信相結(jié)合，以動態(tài)優(yōu)先級思想設(shè)計選煤廠機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方案，保證機(jī)電設(shè)備急停、閉鎖等非周期信號的傳輸實時性要求，保證選煤廠機(jī)電設(shè)備安全有序運(yùn)行。

1 選煤工藝流程

選煤工藝流程主要由原煤分級系統(tǒng)、塊煤主/再選系統(tǒng)、末煤分選系統(tǒng)以及粗煤泥分選系統(tǒng)成，如圖1所示。0～300 mm的原煤經(jīng)選煤工藝流程脫介/脫水、沉淀、篩分級、加壓過濾、濃縮后，形成不同品級的煤種，分別存入塊精煤倉、精煤倉、中煤倉、煤泥倉以及矸石倉。

2 總體方案設(shè)計

選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺系統(tǒng)如圖2所示，根據(jù)選煤工藝流程，設(shè)計原煤分級I/O、塊煤主/再選I/O、末煤分選I/O、粗煤泥分選I/O 4個分站，每一個分站都以PLC控制器為核心，獲取本系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的開關(guān)量、模擬量信息，以FDD-LTE無線以及CAN通信雙冗余通信模式將分站所有數(shù)據(jù)傳送至PCC計算機(jī)控制器主站。PCC計算機(jī)控制主站與King SCADA軟件平臺以CAN通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。King SCADA軟件平臺不但接收PCC數(shù)據(jù)進(jìn)行界面展示，同時可通過King SCADA軟件平臺發(fā)出控制指令，控制各系統(tǒng)選煤機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 選煤工藝流程

圖2 屯蘭選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺系統(tǒng)

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計包括PLC核心控制器主站設(shè)計、原煤分級I/O分站、塊煤主/再選I/O分站、末煤分選I/O分站以及粗煤泥分選I/O分站五分部分。PLC核心控制器主站以通信模式接收各I/O分站狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳送給King SCADA監(jiān)控平臺用于顯示，同時將監(jiān)控平臺控制指令傳送給各I/O分站，用于控制各分站的指定機(jī)電設(shè)備。各I/O分站自組成一個子系統(tǒng)，由EPEC 3724為核心控制器作為核心控制器，對該分站的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

以原煤分級I/O分站為例，該分站主要用于將0～300 mm的原煤經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至選煤廠主廠房后，經(jīng)刮板輸送機(jī)分配至原煤分級篩，經(jīng)振動篩分選出不同粒度的煤料分別運(yùn)輸至塊煤、末煤以及粗煤泥I/O分站系統(tǒng)。在原煤分級I/O分站中，需要監(jiān)控的機(jī)電設(shè)備有電動機(jī)振動給煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、電動平板閘門以及原煤分級篩等。原煤分級I/O分站的PLC核心控制器配置的數(shù)字I/O、模擬I/O變量統(tǒng)計以及PLC引腳對應(yīng)關(guān)系見表1所示。

表1列出了部分原煤分級I/O分站中PLC控制器配至的數(shù)字量I/O、模擬量I/O統(tǒng)計以及地址分配。由于篇幅原因，未列出電動平板閘門、原煤分級篩設(shè)備的地址分配。塊煤主/再選I/O分站、末煤分選I/O分站以及粗煤泥分選I/O分站的PLC控制器設(shè)計與原煤分級I/O分站PLC控制系統(tǒng)設(shè)計基本相同。

對EPEC 3724 PLC控制器分配地址后，根據(jù)各分站實現(xiàn)的功能，進(jìn)行PLC軟件程序編寫。基于CoDeSys 2.3軟件開發(fā)平臺，采用ST語言進(jìn)行編程，實現(xiàn)對各分站系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行控制、狀態(tài)參數(shù)、錯誤報警信息的采集。

4 通信系統(tǒng)設(shè)計

4.1 FDD-LTE無線通信系統(tǒng)

每一個I/O分站配置一個FDD-LTE終端，I/O分站通過TCP/IP通信模式將數(shù)據(jù)傳送至FDD-LTE終端，F(xiàn)DD-LTE終端以無線通信模式與FDD-LTE基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FDD-LTE基站再以TCP/IP模式將數(shù)據(jù)傳送給PCC計算機(jī)控制器主站。表2為無線發(fā)送數(shù)據(jù)格式定義，其中第1字節(jié)為I/O分站地址標(biāo)識；第2～5字節(jié)為該分站的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)；第6～7字節(jié)為CRC校驗值；第8字節(jié)保留。PCC接收到分站數(shù)據(jù)后，返回ACK數(shù)據(jù)，以便分站進(jìn)行發(fā)送確認(rèn)。

設(shè)計的監(jiān)控平臺選用的FDD-LTE基站和終端為FDD-LTE通信制式，工作頻率區(qū)間為1.785～1.805 GHz,發(fā)射功率不大于30 dBm，接收靈敏度為-75 dBm，無線通信距離大于500 m。

4.2 CAN通信系統(tǒng)

每一個I/O分站以CAN通信模式與PCC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用CAN2.0A通信協(xié)議，11位標(biāo)準(zhǔn)幀格式，如圖3所示。定義原煤分級I/O分站、塊煤主/再選I/O分站、末煤分選I/O分站以及粗煤泥分選I/O分站CAN通信從站地址為0x19、0x29、0x39以及0x49，波特率為2.5×105bit/s。另外，仍需要定義各I/O分站與PCC主站CAN通信協(xié)議。

圖3 CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)幀格式

為保證監(jiān)控平臺對各I/O分站機(jī)電設(shè)備的應(yīng)急模式控制的實時性，設(shè)計基于動態(tài)優(yōu)先級的CAN通信方案。將CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)幀中的仲裁段的11 bits進(jìn)行重新定義，見圖4所示。

圖4 動態(tài)優(yōu)先級CAN總線標(biāo)準(zhǔn)幀仲裁段定義

定義由監(jiān)控平臺發(fā)出的控制指令優(yōu)先級，如表3所示，仲裁段數(shù)值越小優(yōu)先級越高。如機(jī)電設(shè)備的急停閉鎖優(yōu)先級最高、設(shè)備聯(lián)動控制指令優(yōu)先級最低。

為保證高優(yōu)先級的控制指令優(yōu)先傳輸，在PCC控制器中設(shè)計CAN總線通信動態(tài)優(yōu)先級軟件流程，如圖5所示。令待發(fā)送的控制指令初始優(yōu)先級為α，碰撞失敗次數(shù)為n，則該控制指令本發(fā)送周期的優(yōu)先級定義為α′=α-n，且α>1。若該控制指令在設(shè)定時間T-1內(nèi)沒有發(fā)送成功，則直接設(shè)置該控制指令優(yōu)先級為1，保證在下一發(fā)送周期發(fā)送成功。

表3 CAN總線通信數(shù)據(jù)優(yōu)先級定義

圖5 CAN總線通信動態(tài)優(yōu)先級軟件流程

5 界面系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺有King SCADA軟件進(jìn)行實現(xiàn)，該軟件以CAN通信模式獲取主站PLC控制器數(shù)據(jù)并傳送控制命令給主站PLC。在該界面系統(tǒng)中，根據(jù)選煤工藝流程，包括設(shè)計主界面(登錄界面)、原煤分級I/O分站、塊煤主/再選I/O分站、末煤分選I/O分站、粗煤泥分選I/O分站、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史報警查詢、錯誤故障報警、系統(tǒng)幫助8個界面，圖6所示為原煤分級I/O分站界面，展示出原煤分級系統(tǒng)子工藝流程，原煤經(jīng)翻車機(jī)后存儲至緩沖倉1、緩沖倉2。在緩沖倉中的原煤有兩條帶式運(yùn)輸機(jī)將原煤運(yùn)輸至原煤倉1/2/3。原煤倉中的原煤經(jīng)6臺電振機(jī)控制進(jìn)入洗選系統(tǒng)的原煤。在電振機(jī)下配備有帶式運(yùn)輸機(jī)和刮板輸送機(jī)，負(fù)責(zé)將經(jīng)電振機(jī)后的煤料運(yùn)輸并分配至原煤分級篩。原煤分級篩可按照煤料的粒級將煤料轉(zhuǎn)運(yùn)至不同的I/O分站進(jìn)行洗選。在King SCADA軟件平臺中，對各帶式運(yùn)輸機(jī)、刮板輸送機(jī)進(jìn)行動畫設(shè)計，如帶式運(yùn)輸機(jī)101，定義Enable變量，當(dāng)該變量為TRUE時，帶式運(yùn)輸機(jī)按照指定動畫動作；當(dāng)該變量為FALSE時帶式運(yùn)輸機(jī)停止。點擊圖6中的各按鈕可進(jìn)入指定功能的監(jiān)控畫面。

圖6 屯蘭選煤廠機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺

6 結(jié)語

選煤廠機(jī)電設(shè)備多、操作復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大，設(shè)計機(jī)電設(shè)備監(jiān)控平臺，使各設(shè)備的啟停、閉鎖關(guān)系實現(xiàn)自動控制，在降低勞動強(qiáng)度的同時，增強(qiáng)了機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性，提高了選煤設(shè)備的運(yùn)行效率。據(jù)統(tǒng)計，基于該監(jiān)控平臺控制后，屯蘭選煤廠機(jī)電設(shè)備的啟停時間有原來的平均60～70 min下降至20～30 min,由機(jī)電設(shè)備故障率引起的停機(jī)時間有原來的18～22 h下降至2～3 h，效果顯著。