基于物聯網技術的同步電動機勵磁設備監控平臺

徐宜賓

摘要：我國物聯網發展穩步推進，在各個行業的應用全面展開，在工業領域，物聯網技術的應用有效帶動了產業智能化信息化。現今為滿足昆明鋼鐵集團有限公司玉溪大紅山礦業有限公司生產需求，本文基于物聯網技術，搭建同步電動機勵磁設備監控平臺。解決礦山行業普遍存在的因地域分散導致的各種困難，實現設備參數的數據匯總、遠程實時監控、歷史記錄以及故障報警等功能，使礦山生產更安全、高效、智能。

關鍵詞：物聯網;勵磁設備;監控;同步電動機;礦山

一、引言

從2005年國際電信聯盟明確提出Internet of Things即物聯網概念，并預想出未來無所不在的通信網絡開始，全球物聯網經過十幾年的發展，整體上已經步入擴大生產擴大使用全面推廣的階段[1]。國際上，大國一直將物聯網視為提升國際競爭力的重要戰略布局，大力推進物聯網產業發展。在第四次工業革命的進程中，物聯網既是工業革命的產物又是工業革命的推手，工業強國紛紛將物聯網技術應用到生產制造過程中去，實現生產制造的信息化升級。

企業要高質量發展，必須要跟上信息化的腳步，在數字化生產環境的基礎上，利用物聯網技術，加強信息互聯互通，從而掌控全局，提高生產過程的可控性，減少人為干預的隨機性，加強監測采集的即時性，統籌規劃使生產計劃更合理，構建高效、節能、環保、智慧的信息化生產環境[2]。

在礦山行業，普遍存在生產礦井分散，距離行政辦公環境遠，距離監控中心遠的問題[3]。由于距離阻隔，給礦山行業生產、計量、監控、控制都帶來了極大的困難。利用物聯網技術，可以實現遠程通信，將設備運行狀況發送給監控中心，也可以遠程控制設備，使現場、監控、行政做到信息化互聯互通，距離不再阻礙生產，一些不便人員常駐的生產環境也可以變為無人值守。昆明鋼鐵集團有限公司玉溪大紅山礦業有限公司現有同步電動機勵磁設備14臺即面臨上述困難，本文通過物聯網技術搭建勵磁設備監控平臺，實現設備數據匯總、遠程實時監控、歷史記錄以及故障報警等功能。有效滿足了玉溪大紅山礦業有限公司生產的需求，實現勵磁設備的信息化管理。

二、物聯網技術概述

物聯網是一個十分寬泛的概念，它的基本定義是讓物理對象能被獨立尋址并實現互聯互通。它的實際應用是將實體通過信息設備，傳感設備與互聯網連接，進行信息交換[4]。它的目的是為了使所有的物理實體互聯互通，實現信息化智能化的管理。

物聯網從技術結構上可以分為三層：感知層、網絡層、應用層[5]。如圖1所示。

感知層是物聯網的底層，但它是實現物聯網全面感知的核心能力，主要解決物理實體的數據獲取和連接問題。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，傳感器包括各種物理量傳感器、攝像頭、條碼設備、GPS以及射屏識別器。

網絡層是物聯網的中間層，它主要由私有網絡、互聯網、有線通信網絡、無線通信網絡、網絡管理系統和云計算平臺等組成。網絡層的功能包括分配地址、路由、交換和鏈接的建立保持與終止等[6]。其目的是使實體與實體之間實現數據傳輸。近年飛速發展的云計算則為物聯網海量的數據提供了存儲平臺，并通過數據庫技術，數據挖掘技術和各類人工智能技術對大量的數據進行分析處理，是物聯網最強大的技術支持。

應用層是物聯網的最上層，物聯網的應用層利用經過分析處理的感知數據為用戶提供豐富的特定服務，可分為監控型如物流監控、污染監控;查詢型如智能檢索、遠程抄表;控制型如智能交通、智能家居、路燈控制;掃描型如手機錢包、ETC等[7]。應用層是物聯網發展的目的，軟件開發、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用[8]。

三、監控平臺設計

3.1 情況概述

玉溪大紅山礦業有限公司現有同步電動機勵磁設備14臺，均為武漢科大電控KGLF-3S型勵磁柜。勵磁柜部件包括西門子S7-1200PLC、西門子S7-200PLC、可控硅、勵磁控制器等。勵磁柜用于鐵礦球磨工藝段同步電動機的勵磁。目前的球磨工藝基本實現自動化控制，但生產工藝復雜，干擾多，必須操作人員值守。然而球磨機體積巨大，通常球磨機之間間隔距離遠，多車間之間統籌協調有困難。單個球磨機的控制設備也因體積巨大導致較為分散，導致操作人員需要四處跑動，不利于提高生產效率。同時，球磨工藝段現場噪音巨大，危害操作人員健康，不利于長時間值守。因此，需要將球磨工藝的各項參數與控制機能傳遞至監控中心，協調各車間生產，監控設備運行狀況，給操作人員更舒適的生產環境。其中，勵磁柜的各項運行參數包括運行狀態、同步速度、投勵方式、異步時間、全壓時間、勵磁電壓、勵磁電流等均需要傳遞至監控中心，并具有遠程讀寫功能。

3.2 感知層設計

由于勵磁設備所需的外部傳感器不復雜，監測位置基本位于柜內，所以傳感器均使用有線連接。傳感器包括交流電壓傳感器、交流電流傳感器、功率因數傳感器、溫度傳感器。除溫度傳感器外，均使用AC220V轉DC24V的開關電源供電。傳感器將采集數據轉換為4-20mA電流輸出，西門子EM235模塊接受此電流信號，最終在S7型PLC中轉換為實際的電流、電壓、溫度值。此外，其他不需傳感器接受的的運行參數如開關量等，已由S7型PLC記錄。在物聯網結構上上S7型PLC不僅作為底層自動化控制的中樞，也同時做為傳感器網關發揮作用。使用成熟的可編程邏輯控制器搭建感知層，保障了設備的穩定性，使設備方便擴展，方便組網，為后續的網絡層設計打下基礎。

3.3 網絡層設計

物聯網的網絡層涉及到通信網絡七層協議中多個層的多種協議類型，因而十分復雜。常用的物聯網通信協議如圖2所示。在網絡結構的物理層上，分為兩個大類有線通信與無線通信。其中無線通信又分為近距離通信、遠距離通信和蜂窩通信。有線通信使用最多的是以太網，其他使用有線物理層的還包括RS232、RS485等。近距離通信常見的包括使用于耳機、鼠標等無線設備的藍牙;使用于非接觸讀卡等近場通訊的NFC;使用于物流、ETC的RFID射頻識別。其他則還有Dash7、IRdA等近距離通信協議。遠距離通信最常見的是用于家庭無線網絡的Wi-Fi，以及適合私人組網的LoRa，ZigBee等。蜂窩通信是現在廣泛應用的移動通信方式，全球電信運營商均使用蜂窩通信技術為用戶提供移動通信業務，隨著蜂窩通信技術的發展，蜂窩通信模組大量的應用于物聯網設備，蜂窩通信也逐步成為物聯網服務的重要支柱。

在本設計中，考慮到設備的地域分布，有線通信與近距離通信都是無法實現的，同時現場的移動運營商網絡覆蓋良好，綜合現場情況以及成本考量，最終選擇具有蜂窩通信能力的KDDK-TXZ3系列物聯網模塊作為網絡層的主要設備。此系列模塊分為主模塊與從模塊，其中，從模塊具有以太網有線通信功能以及RS485網關功能，RS485網關可以兼容多項協議，包括MODBUS、PPI等。主模塊除上述從模塊具有的功能以外，還具有4G蜂窩通信功能。

網絡結構上，勵磁柜的PLC作為最底層的節點，通過RS485總線與TXZ3物聯網模塊通訊，其中西門子S7-300系列使用MODBUS協議，西門子S7-200系列使用PPI協議，將感知層采集的信息傳遞給物聯網模塊。物聯網模塊之間則使用以太網TCP/IP協議通信，需要架設以太網交換機，最終數據將通過以太網傳遞給物聯網主模塊，主模塊使用4G蜂窩通信功能將數據上傳至云端服務器。在具體設計上，基于實際需求、帶寬容量與成本考量，每個勵磁柜配置一個物聯網從模塊，位于同一機房的勵磁柜設備組配置一個交換機與一個物聯網主模塊，單一機房的網絡層結構如圖3所示，物聯網監控系統網絡整體結構如圖4所示。

3.4 應用層設計

應用層作為物聯網結構的最上層，需要擔負數據存儲計算與人機交互的功能，完成這些功能的首要前提就是保障數據的安全。云端監控平臺采用國內成熟服務器運營商設備，具有DDoS攻擊防護、網絡入侵檢測、Web應用防護等安全防護功能。人機交互界面采取分級權限，設置值班人員，監控人員，管理人員等分級，并對每一項數據設置讀寫權限，防止非專業人員誤操作。云端監控平臺接受各主模塊發送的數據存儲在云端，按照分類形成數據表格、實時曲線圖等監控頁面，使用者通過賬號密碼登錄到監控平臺網頁即可實時監控所有設備信息。云端監控平臺還具備歷史信息記錄與統計功能，以及短信報警功能，記錄數據可生成圖表提供給使用者，便于對生產過程進行分析，監控數據可按實際需求設置報警，當數值超出限制，云端將向指定的使用者發送報警短信提示故障。

四、結語

本設計所述物聯網監控平臺實現了同步電動機勵磁設備的遠程監控與控制功能，實現了歷史數據記錄、查詢與分析功能，解決了一部分礦山行業因地域分散帶來的難題，為生產管理人員提供了舒適便利的工作環境。在長期運行過程中，本監控平臺運行穩定，準確報障，提高了生產的效率與安全性。在智能化信息化工業浪潮中，本監控平臺有充足的發展潛力，值得推廣。

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