基于Dupline總線和Labview的隧道用皮帶機綜保系統設計

摘要：利用Dupline總線可以遠距離傳輸及總線供電的特點設計了隧道用皮帶機綜合保護系統。借助于Labview強大的圖形化編程語言和豐富的驅動接口，開發了綜保系統的監控界面和數據存儲系統，解決了隧道輸送皮帶機長距離數據傳輸和供電困難的難題。對Dupline總線模塊的選型、電路設計、博途中的GSD文件的安裝和硬件組態、Opc服務器的配置以及基于Labview的界面設計和編程進行詳細的說明，對相關領域的自動化控制系統的設計有一定的參考意義。

關鍵詞：Dupline總線;總線供電;隧道用皮帶機;綜合保護系統;Labview;博途;Opc服務器

0" "引言

隧道用皮帶機綜合保護系統是確保皮帶機安全運行的必備裝置之一。一般煤礦用皮帶機有七大保護項目，包括拉繩（急停）、跑偏、溫度、撕裂、堵塞、速度和煙霧檢測。其中，溫度和速度多為模擬量值，其他為開關量。考慮隧道用皮帶機的出渣含水量大和不燃燒特點，可以取消溫度和煙霧檢測，由七大保護減少為五大保護。

目前，皮帶機的綜合保護系統多數都是基于CAN/485總線或頻率信號進行遠距離傳輸的，但又受限于節點數的總電流限制而不能同時投入。為遠距離通訊只能是通過機械的方法僅讓被觸發的節點（一般為拉繩開關）接入總線，而沒有觸發的節點不得不處于離線的狀態。這樣就導致同一時刻若有幾個節點被觸發，卻只能檢測到其中一個的情況，給監控和維修帶來麻煩。

而Dupline總線是一種現場安裝總線，通過有效時分復用技術提供長距離傳輸和超強的抗干擾性。該總線系統能通過普通的雙絞線傳輸數字和模擬信號達數公里距離。系統采用模塊化設計，包括傳感器、數字I/O模塊、模擬量模塊、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機和軟件等。安裝的所有傳感器和模塊連接到同一條雙絞線上。此外，Dupline總線模塊作為PLC的遠程IO，借助于GSD文件和以太網網關模塊可以輕松與PLC進行數據交互。

Dupline的總線供電技術和超低功耗（雙通道輸入模塊功耗低至0.45mA），使其在長距離皮帶綜合保護系統設計中得到很好的應用。以每隔100m一個傳感器節點，僅用總線供電（1.5mm2雙絞線）即可實現3.5km的30個DI模塊的信號傳輸。

此外，作為一個完整的隧道用皮帶機綜合保護系統，還需要把各個傳感器的狀態在上位機實時顯示出來，并存儲關鍵的報警信息到數據庫。Labview作為一款通用的計算機編程軟件，以其強大的圖形化編程語言、圖形控件和豐富的驅動，在工控領域得到了廣泛應用，借助于Labview內置的OPCServer模塊可以實現PLC與Labview的數據交互和存儲。

1" "基于Dupline總線的綜保系統設計

1.1" "Dupline總線模塊和網絡結構介紹

Dupline總線模塊目前主要是瑞士佳樂（Carlo Gavazzi）公司生產，包括安全模塊和通用模塊兩大類。安全模塊支持IEC61508-SIL3安全等級，一般僅包括數字量輸入/輸出和網關模塊;而通用模塊不僅包括數字量IO模塊，還包括模擬量IO、溫度檢測通道發生器等模塊，可以滿足大多數現場控制和檢測的需要。本文以通用型Dupline總線模塊為例進行說明。事實上，Dupline總線模塊多數是以PLC的遠程IO形式存在的，Dupline網絡如圖1所示。

圖1中的A表示Profinet總線;B表示通道發生器，每個模塊可以帶128個IO點;C表示西門子PLC主站模塊;D表示以太網網關模塊，可以作為西門子帶PN口PLC的從站，最多可以帶7個通道發生器;E是Dupline安全網絡和安全模塊。

1.2" "綜保系統設計

考慮隧道用皮帶機的5大保護特點，以3.5km隧道用皮帶機為例進行設計和說明。

在5大保護中，拉繩、跑偏、撕裂、堵塞為開關量，速度傳感器為模擬量。撕裂保護開關布置在機頭、中部、機尾三個位置;堵塞保護開關布置在轉載點;測速傳感器布置在機頭位置。在沿皮帶方向布置拉繩和跑偏開關，隧道一般100m（煤礦習慣40m）布置一組，包括1個拉繩和2個跑偏開關。

根據以上分析，3.5km長的連續皮帶機需要34個拉繩開關（1個/100m）、34個跑偏開關（1對/200m）、1個撕裂開關、1個堵料開關、1個測速傳感器。為節省總線模塊，跑偏與拉繩串聯，接入同一個節點，加上1個撕裂開關，共需要35個Dupline輸入模塊G32101161;此外，還需要1個通道發生器GS33900000800;1個網關GS33910060800;一個終端模塊DT01;手持編碼器1個。此外，為了與上位機通訊，還需要1套PLC進行協議轉換和數據交互。綜保系統布置如圖2所示。

此外，由于長距離總線供電，需要考慮壓降問題。以1.5mm²雙絞線為例進行說明，直流阻抗12Ω/km，3.5km的阻抗R=12×3×2=72Ω。查官方手冊知G32101161的最低電流為0.45mA，35個模塊的總電流I=0.00045×35，有總壓降△U：

△U=IR=12×3×2×0.00045×35=1.134Vlt;2V，符合要求。（說明：Dupline總線通訊，要求壓降不低于2V）上述是以所有模塊掛載在電纜終端進行壓降計算的，實際產生的壓降要小于1.134V。

2" "Dupline總線模塊硬件組態和地址分配

事實上，Dupline總線模塊經常是作為PLC的遠程IO使用的。這里選擇西門子1500PLC作為主控制器，博途V15為編程環境。

首先需要安裝用于Profinet通訊的GSD文件GSDML-V2.31-DUP-NETE-20150120.xml，該文件可以從佳樂代理商處獲取。安裝完成后，即可進行相應的硬件組態和地址配置。硬件組態與其他第三方的Profinet模塊類似，這里不再贅述。下面重點介紹模塊的地址的分配方法。

以數字量輸入為例進行說明，首先需要用手持編碼器進行模塊地址的編碼，編碼規則是一條總線可以從A0-7到P0-P7共128個點，剛好對應硬件組態中的16個字節的128個點。編碼表見表1。

例如硬件組態的16個字節地址是100-115，那么就有A1通道的地址為I100.7，B1通道的地址為I101.7，以此類推。由此可見，在硬件配置和地址編碼后，Dupline總線IO模塊與西門子本地模塊使用一樣方便。

此外需要說明的是，如果1個網關模塊可以最多帶7個通道發生器。需要利用通道發生器上的DIP開關進行編址，地址號為1-7，且不能重復。

3" "OPC服務器的配置與組態

考慮用Labview2017作為編程環境進行監控軟件的開發;用G語言進行編程;Access2013作為存儲數據庫;利用NI OPC Server2016與西門子S7-1500 PLC通訊;控制系統見圖3。

NI OPC Server2016集成在NI的DSC模塊中，下載安裝即可;安裝完成后進行幾步簡單配置即可實現與PLC的通訊，甚至無需任何編程。圖4為完成后的OPC Server主界面。

在圖4的左上的框中對硬件進行配置，其中最重要的就是設備屬性的配置，在屬性中可以設置PLC的型號和IP地址。在右上框中進行IO地址的組態，只需要保證絕對地址與PLC中的完全一致即可，當然也可以把PLC的地址導出整理后再導入OPC服務器中。下面的框是OPC的狀態監視框，會列出OPC運行過程中發生的重要事件。

在配置完成OPC的硬件組態和PLC地址后，還需要通過的Datasocket控件把OPC中組態好PLC地址與Labview中控件綁定起來。綁定過程很簡單，在需要綁定PLC地址的控件上點擊右鍵打開屬性，找到數據綁定菜單，選擇DataSocket。

然后在瀏覽中選擇DSTP服務器菜單，就會跳轉到相應OPC服務器選擇項，在我們已經創建好的OPC服務器中找到對應的PLC的IO地址即可。

4" "監控界面和數據存儲系統設計

借助于Labview強大的圖形功能和LabSQL數據庫組件，來設計監控界面和數據存儲程序。監控界面應包括連續皮帶機、轉載皮帶機、當前報警和歷史報警等界面。下面以最重要的連續皮帶機監控界面為例進行說明，監控主界面如圖5所示。

圖5中不僅可以顯示各個皮帶機的位置關系，還能指示各個傳感器的位置和狀態。在調試階段或無法及時更換時也能夠手動屏蔽掉某些傳感器。

為了方便以后查詢和分析，還需要對數據進行存儲，Labview結合Access可以實現該功能。首先需要安裝Access數據庫和AccessDatabaseEngine，并配置ODBC數據源。特別地，如果Labview是32位，一定要配置32位的ODBC數據源，否則Labview無法與Access通訊。在ODBC數據源管理器里面選擇系統DSN菜單，添加系統數據源，選擇Microsoft Access Driver。在選擇完成彈出的對話框中選擇已經創建好的數據庫，并在數據源名一欄中給出命名。

配置完成ODBC數據源后，還需要對Labview進行相應的設置。首先需要安裝Labview的插件LabSQL，安裝完成后在用戶庫里面可以找到LabSQL ADO。我們需要用到的子VI是ADO Connection Create.vi、ADO Connection Open.vi、SQL Execute.vi和ADO Connection Close.vi。在ADO Connection Open.vi的連接字符串端子寫入“DSN=DSN數據源”。需要注意的是，等號后面的名稱必須與數據源名保持一致。Labview數據存儲程序如圖6所示。

5" "結語

本文對基于Dupline總線和Labview的隧道用皮帶機綜保系統設計過程進行詳細的描述，從硬件選型到軟件設計均有較為全面的分析。但限于篇幅，仍無法照顧到一些細節設計，如未對較簡單的PLC程序設計進行說明。

此外，該長距離綜保系統雖可以獨立運行，但與盾構/TBM/第三方設備的通訊也是一個重要的環節，在實際設計中應根據PLC的通訊協議來選擇合適的Dupline總線網關。

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