基于TCP/IP的帶式輸送機遠程監控平臺設計

武 進

（山西焦煤特種設備檢驗中心，山西 太原 030024）

引言

帶式輸送機是煤礦井下主要的連續運輸設備，適用于煤料、物料、設備散料的長距離運輸，具有運量大、成本低等優點。由于帶式輸送機運行環境惡劣，故障發生率較高，嚴重影響煤礦井下生產效率[1]。為提高帶式輸送機運行的可靠性、穩定性，帶式輸送機遠程監控平臺成為亟需解決的問題。國內外學者針對帶式輸送機遠程監控平臺開展一系列研究，如基于CAN總線傳輸技術、RS485傳輸技術、無線ZigBee通信技術實現監控平臺的設計[2-4]。牛禎祖[5]等基于視頻聯動技術建立上位機與視頻墻的通訊，實現視頻聯動報警。王建勛[6]等利用三菱PLC、智能感知傳感器以及雙CAN網絡構建物聯網帶式輸送機遠程監控平臺，實現了生產數據、音頻數據的在線實時監測。傳統的帶式輸送機遠程監控平臺基于RS485、CAN等總線方式或者ZigBee無線模式進行通信，存在布線復雜、通信距離受限、數據丟包率較高、無法傳送視頻信息等缺點。因此，基于TCP/IP通信模式，實現帶式輸送機數據、音頻、視頻的在線遠程實時監控。

1 監控平臺總體方案設計

帶式輸送機遠程監控平臺總體設計方案框圖件見圖1所示，由PLC控制單元、監控終端、視頻探頭、核心交換機、上位機、傳感器單元、開關量單元以及急停-網絡電話聯線等設備組成，共同完成對帶式輸送機的遠程監測和控制。上位機是遠程監控平臺的控制中心，帶式輸送機的運行數據都在該平臺上顯示。監控終端為遠程監控平臺的數據處理核心，負責對傳感器單元數據進行周期性采集和檢測；對開關量單元的開關信號進行實時監測并完成防抖、濾波處理；對急停-網絡電話聯線信號進行實時檢測并完成響應，實現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控制單元數據和指令[7-8]。監控終端以TCP/IP通信模式完成數據的采集，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，實時監測帶式輸送機的運行狀態，一旦監測到傳感器信號異常，則觸發語音報警；采集的開關量信號有振打器、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由PLC控制單元完成，根據負載變化量，動態調整輸送電動機的運行頻率，完成對電動機的變頻調速。

圖1 帶式輸送機遠程監控平臺系統框架

2 監控平臺硬件設計

帶式輸送機遠程監控平臺的硬件主要由EPEC PLC控制器、變頻器、電動機、監控終端、上位機、視頻探頭、傳感器等。根據帶式輸送機監控平臺功能，對PLC控制器進行輸入、輸出地址分配；根據電氣元器件電氣特性，進行電氣原理圖的設計以及外部元器件電氣原理圖設計。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，以簡化監控終端對傳感器信號的處理。急停開關選用的型號為沈陽廣角的礦用防爆型DX-M01，該急停開關防護等級高、動作穩定可靠。網絡電話選用的型號為天津華寧的NET-PH1，該網絡電話語音質量清晰、具有雙工/半雙工工作模式；視頻探頭選用的型號為SADXL-5，可應用于無顯著振動和沖擊的場合，連續無滴水的場合；可以在有甲烷、煤塵爆炸性混合物環境中使用[9-12]。該攝像儀具有3D數字降躁系統，能得到更清晰的彩色圖像；具有白點消除功能，全新后焦結構；具有自動增益控制以及先進的數字背光補償功能。

3 監控平臺軟件設計

3.1 PLC程序設計

根據帶式輸送機遠程監控平臺功能，基于CodeSys3.5軟件平臺進行PLC程序設計、編程以及聯調。采用模塊化編程設計理念，將PLC程序分為上電模塊、初始化模塊、急停-網絡電話聯線數據處理、傳感器數據處理、開關量數據處理、通信模塊、主邏輯控制模塊、變頻驅動模塊、視頻處理模塊、故障處理模塊以及界面設計模塊11部分。進行模塊編程時，設計模塊接口函數，用于與其他模塊進行數據交互和聯動。

3.2 上位機軟件設計

帶式輸送機監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、控制模塊構成。監控終端將帶式輸送機運行參數、狀態信息、故障信息等數據經核心交換機后發送給上位機[13-14]。上位機基于King SCADA軟件平臺進行界面設計，將接收到的數據解析后與軟件平臺定義的變量進行關聯，進行聯動、動態展示。設計的軟件平臺界面包括傳感器數值界面、報警信息界面、網絡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 帶式輸送機監控平臺上位機軟件功能組成框圖

3.3 通信軟件設計

帶式輸送機監控平臺以TCP/IP完成模塊間通信，通信流程見圖3所示。系統上電后首先完成系統初始化，建立Socket套接口并綁定本地主機IP，開啟Listen方法開始監聽。該通信程序啟動Accept方法循環偵聽是否有數據連接請求。如果有連接請求，則接收并處理傳感器數據、控制設備狀態等數據信息。監控設備解析數據后發現數據超限，則觸發報警信息并執行控制動作。如果該時刻沒有連接請求，則繼續等待連接請求。

圖3 帶式輸送機監控平臺通信軟件流程

4 試驗驗證

試驗系統由臺式機、監控終端、傳感器組、開關量組、急停開關以及信號指示燈組成。按照硬件設計接線原理將電氣設備連接并通過核心交換機組成局域網。系統上電后，在PC機上運行上位機軟件程序餅與監控設備建立TCP/IP通信連接。通過上位機軟件可實時監控傳感器組、開關量組數據、視頻數據。當急停開關動作時，觸發網絡電話語音報警；當檢測到傳感器數據超限后，在上位機彈出故障報警窗口并顯示故障信息。試驗結果表明，通過上位機監控軟件能夠準確、及時接收和處理數據信息，數據傳輸速率高、可靠性強，達到預期設計目標。

5 結論

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

2）基于模塊化設計理念，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，實現了對帶式輸送機遠程實時監控，減少設備維護工作量，縮短了故障停機時間，提高了帶式輸送機的工作效率。