基于TCP/IP的帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺設(shè)計

武 進

（山西焦煤特種設(shè)備檢驗中心，山西 太原 030024）

引言

帶式輸送機是煤礦井下主要的連續(xù)運輸設(shè)備，適用于煤料、物料、設(shè)備散料的長距離運輸，具有運量大、成本低等優(yōu)點。由于帶式輸送機運行環(huán)境惡劣，故障發(fā)生率較高，嚴(yán)重影響煤礦井下生產(chǎn)效率[1]。為提高帶式輸送機運行的可靠性、穩(wěn)定性，帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺成為亟需解決的問題。國內(nèi)外學(xué)者針對帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺開展一系列研究，如基于CAN總線傳輸技術(shù)、RS485傳輸技術(shù)、無線ZigBee通信技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控平臺的設(shè)計[2-4]。牛禎祖[5]等基于視頻聯(lián)動技術(shù)建立上位機與視頻墻的通訊，實現(xiàn)視頻聯(lián)動報警。王建勛[6]等利用三菱PLC、智能感知傳感器以及雙CAN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)的在線實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺基于RS485、CAN等總線方式或者ZigBee無線模式進行通信，存在布線復(fù)雜、通信距離受限、數(shù)據(jù)丟包率較高、無法傳送視頻信息等缺點。因此，基于TCP/IP通信模式，實現(xiàn)帶式輸送機數(shù)據(jù)、音頻、視頻的在線遠程實時監(jiān)控。

1 監(jiān)控平臺總體方案設(shè)計

帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺總體設(shè)計方案框圖件見圖1所示，由PLC控制單元、監(jiān)控終端、視頻探頭、核心交換機、上位機、傳感器單元、開關(guān)量單元以及急停-網(wǎng)絡(luò)電話聯(lián)線等設(shè)備組成，共同完成對帶式輸送機的遠程監(jiān)測和控制。上位機是遠程監(jiān)控平臺的控制中心，帶式輸送機的運行數(shù)據(jù)都在該平臺上顯示。監(jiān)控終端為遠程監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)處理核心，負(fù)責(zé)對傳感器單元數(shù)據(jù)進行周期性采集和檢測；對開關(guān)量單元的開關(guān)信號進行實時監(jiān)測并完成防抖、濾波處理；對急停-網(wǎng)絡(luò)電話聯(lián)線信號進行實時檢測并完成響應(yīng)，實現(xiàn)與語音信號的采集和處理，可完成全雙工語音通話、擴音報警等功能；對視頻探頭圖像信息實時采集并完成圖像處理；接收并處理PLC控制單元數(shù)據(jù)和指令[7-8]。監(jiān)控終端以TCP/IP通信模式完成數(shù)據(jù)的采集，包括安裝在帶式輸送機機身的傳感器，如電流、速度、張力、紅外、跑偏、撕裂、堆煤等傳感器信號，實時監(jiān)測帶式輸送機的運行狀態(tài)，一旦監(jiān)測到傳感器信號異常，則觸發(fā)語音報警；采集的開關(guān)量信號有振打器、自動糾偏裝置、噴淋噴霧裝置、張緊裝置、流量控制裝置等，完成對帶式輸送機的運行控制。帶式輸送機控制系統(tǒng)由PLC控制單元完成，根據(jù)負(fù)載變化量，動態(tài)調(diào)整輸送電動機的運行頻率，完成對電動機的變頻調(diào)速。

圖1 帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺系統(tǒng)框架

2 監(jiān)控平臺硬件設(shè)計

帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺的硬件主要由EPEC PLC控制器、變頻器、電動機、監(jiān)控終端、上位機、視頻探頭、傳感器等。根據(jù)帶式輸送機監(jiān)控平臺功能，對PLC控制器進行輸入、輸出地址分配；根據(jù)電氣元器件電氣特性，進行電氣原理圖的設(shè)計以及外部元器件電氣原理圖設(shè)計。對傳感器進行選型時，需選擇礦用防爆型且防護等級為IP65，以滿足帶式輸送機惡劣工況；傳感器輸出信號為4～20 mA電流信號，以簡化監(jiān)控終端對傳感器信號的處理。急停開關(guān)選用的型號為沈陽廣角的礦用防爆型DX-M01，該急停開關(guān)防護等級高、動作穩(wěn)定可靠。網(wǎng)絡(luò)電話選用的型號為天津華寧的NET-PH1，該網(wǎng)絡(luò)電話語音質(zhì)量清晰、具有雙工/半雙工工作模式；視頻探頭選用的型號為SADXL-5，可應(yīng)用于無顯著振動和沖擊的場合，連續(xù)無滴水的場合；可以在有甲烷、煤塵爆炸性混合物環(huán)境中使用[9-12]。該攝像儀具有3D數(shù)字降躁系統(tǒng)，能得到更清晰的彩色圖像；具有白點消除功能，全新后焦結(jié)構(gòu)；具有自動增益控制以及先進的數(shù)字背光補償功能。

3 監(jiān)控平臺軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

根據(jù)帶式輸送機遠程監(jiān)控平臺功能，基于CodeSys3.5軟件平臺進行PLC程序設(shè)計、編程以及聯(lián)調(diào)。采用模塊化編程設(shè)計理念，將PLC程序分為上電模塊、初始化模塊、急停-網(wǎng)絡(luò)電話聯(lián)線數(shù)據(jù)處理、傳感器數(shù)據(jù)處理、開關(guān)量數(shù)據(jù)處理、通信模塊、主邏輯控制模塊、變頻驅(qū)動模塊、視頻處理模塊、故障處理模塊以及界面設(shè)計模塊11部分。進行模塊編程時，設(shè)計模塊接口函數(shù)，用于與其他模塊進行數(shù)據(jù)交互和聯(lián)動。

3.2 上位機軟件設(shè)計

帶式輸送機監(jiān)控平臺上位機軟件功能組成框圖見圖2所示，由顯示模塊、查詢模塊、控制模塊構(gòu)成。監(jiān)控終端將帶式輸送機運行參數(shù)、狀態(tài)信息、故障信息等數(shù)據(jù)經(jīng)核心交換機后發(fā)送給上位機[13-14]。上位機基于King SCADA軟件平臺進行界面設(shè)計，將接收到的數(shù)據(jù)解析后與軟件平臺定義的變量進行關(guān)聯(lián)，進行聯(lián)動、動態(tài)展示。設(shè)計的軟件平臺界面包括傳感器數(shù)值界面、報警信息界面、網(wǎng)絡(luò)電話廣播信息界面等，界面間通過“上一頁”、“下一頁”以及“返回”按鈕進行切換。

圖2 帶式輸送機監(jiān)控平臺上位機軟件功能組成框圖

3.3 通信軟件設(shè)計

帶式輸送機監(jiān)控平臺以TCP/IP完成模塊間通信，通信流程見圖3所示。系統(tǒng)上電后首先完成系統(tǒng)初始化，建立Socket套接口并綁定本地主機IP，開啟Listen方法開始監(jiān)聽。該通信程序啟動Accept方法循環(huán)偵聽是否有數(shù)據(jù)連接請求。如果有連接請求，則接收并處理傳感器數(shù)據(jù)、控制設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控設(shè)備解析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超限，則觸發(fā)報警信息并執(zhí)行控制動作。如果該時刻沒有連接請求，則繼續(xù)等待連接請求。

圖3 帶式輸送機監(jiān)控平臺通信軟件流程

4 試驗驗證

試驗系統(tǒng)由臺式機、監(jiān)控終端、傳感器組、開關(guān)量組、急停開關(guān)以及信號指示燈組成。按照硬件設(shè)計接線原理將電氣設(shè)備連接并通過核心交換機組成局域網(wǎng)。系統(tǒng)上電后，在PC機上運行上位機軟件程序餅與監(jiān)控設(shè)備建立TCP/IP通信連接。通過上位機軟件可實時監(jiān)控傳感器組、開關(guān)量組數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)急停開關(guān)動作時，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)電話語音報警；當(dāng)檢測到傳感器數(shù)據(jù)超限后，在上位機彈出故障報警窗口并顯示故障信息。試驗結(jié)果表明，通過上位機監(jiān)控軟件能夠準(zhǔn)確、及時接收和處理數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性強，達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)論

1）基于TCP/IP通信模式，可實現(xiàn)帶式輸送機視頻信息的傳輸，且穩(wěn)定性和實時性；

2）基于模塊化設(shè)計理念，可簡化軟件編程工作，增強了程序的可維護性；

3）通過上位機，實現(xiàn)了對帶式輸送機遠程實時監(jiān)控，減少設(shè)備維護工作量，縮短了故障停機時間，提高了帶式輸送機的工作效率。