基于以太網(wǎng)的礦用帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

李明軒

（山西澤州天泰能源有限公司， 山西 晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)原理決定了特別適合散裝物料的運(yùn)輸，因此在煤礦領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，它的作用主要是對(duì)煤礦物料進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸[1]。然而煤礦領(lǐng)域的工作環(huán)境非常復(fù)雜，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)各類(lèi)故障問(wèn)題，影響其運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。控制系統(tǒng)作為輸送機(jī)的重要構(gòu)成部分，其性能會(huì)直接影響運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性[3]。針對(duì)輸送機(jī)的控制系統(tǒng)，很多技術(shù)人員和學(xué)者開(kāi)展了一定的研究，取得了很好的成果，在促進(jìn)輸送機(jī)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化方面起到了很大的作用[4]?；诖嗽谝延醒芯砍晒幕A(chǔ)上，結(jié)合煤礦帶式輸送機(jī)的特點(diǎn)，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 三維模型建立

研究的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)總輸送長(zhǎng)度為570 m，同時(shí)由3 臺(tái)設(shè)備進(jìn)行輸送，如圖1 所示為煤礦中使用的帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的整體方案框圖。可以看出，控制系統(tǒng)以S7-1200 型PLC 控制器為核心。利用速度傳感器及各類(lèi)保護(hù)傳感器，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并上傳至控制器中進(jìn)行綜合分析處理，其中保護(hù)傳感器包括斯帶、煙霧、跑偏、溫度、電流等傳感器?？刂破鞲鶕?jù)處理結(jié)果，對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中的3 臺(tái)電機(jī)及其配套的變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的效果。同時(shí)控制器與上位機(jī)連接，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，在監(jiān)控大屏上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員能實(shí)時(shí)掌握帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 提升機(jī)天輪的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

1.2.1 上位機(jī)與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)而言，上位機(jī)與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作[5]?？紤]到煤礦環(huán)境比較復(fù)雜，容易受到外部環(huán)境因素的干擾。因此，在控制器與上位機(jī)之間利用數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，具體的通信協(xié)議為Modbus/TCP。

工業(yè)以太網(wǎng)的Modbus/TCP 通信協(xié)議共分為5 個(gè)層級(jí)，其中第1 層為以太網(wǎng)物理層，作用是提供設(shè)備的物理接口；第2 層為CSMA/CD IEEE802.3，作用是對(duì)硬件地址數(shù)據(jù)幀進(jìn)行格式化處理，第3 層為IP，作用是生成一個(gè)IP 報(bào)文包，屬于32 位數(shù)據(jù)；第4 層為T(mén)CP，作用是傳輸、調(diào)度、重發(fā)、查錯(cuò)、連接以及端口服務(wù)；第5 層為應(yīng)用層，作用是構(gòu)建協(xié)議的報(bào)文。

1.2.2 控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)于距離比較近的控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)通信，目前應(yīng)用較多的是RS-232 和RS-485通信，兩者都有較好的實(shí)踐效果。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，后者的通信穩(wěn)定性比前者相對(duì)要高，因此本控制系統(tǒng)利用后者來(lái)建立控制器與傳感器、變頻器之間的數(shù)據(jù)通信。最大的傳輸距離和傳輸速率分別可以達(dá)到1 200 m和10 Mbit/s。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中主要電氣元器件和設(shè)備的原理及其相互聯(lián)系，需要利用電氣原理圖來(lái)表示，帶式輸送機(jī)的電氣原理，采用的是三相四線(xiàn)制連接方式。另外，為了保障電氣運(yùn)行安全，在帶式輸送機(jī)前面的火線(xiàn)和零線(xiàn)中間增加設(shè)置了開(kāi)關(guān)電源，特殊情況下可以利用電源進(jìn)行斷電，確保設(shè)備及人員的安全。

2.2 I/O 接口統(tǒng)計(jì)及其分配

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的S7-1200 型PLC 控制器需要接收各類(lèi)傳感器及開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還要向變頻器等下達(dá)控制指令，因此需要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)I/O 口的數(shù)量。結(jié)合帶式輸送機(jī)實(shí)際情況，傳感器的類(lèi)型主要分為三類(lèi)，分別為開(kāi)關(guān)量輸入、模擬量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出。其中，開(kāi)關(guān)量輸入需要的I/O 接口數(shù)量包括跑偏6 個(gè)，煙霧、打滑、撕帶分別為3 個(gè)，啟動(dòng)和停止分別為1 個(gè)，急停為3 個(gè)；模擬量輸入需要的I/O 接口數(shù)量包括模式切換和溫度檢測(cè)各1 個(gè)，電流檢測(cè)3 個(gè)；開(kāi)關(guān)量輸出需要的I/O 接口數(shù)量包括拉緊裝置和超溫灑水各1 個(gè)，狀態(tài)指示燈3 個(gè)。綜合以上共計(jì)需要30 個(gè)I/O 接口。

系統(tǒng)中使用的控制器型號(hào)為S7-1200，對(duì)應(yīng)的CPU 型號(hào)為CPU-1214C。但該CPU 自帶的I/O 接口數(shù)量不夠其實(shí)際使用，因此需要增加開(kāi)關(guān)量模塊、模擬量輸出模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊各1 個(gè)，分別為16位的SM1221 塊、4 位的SM1231 模塊和8 位的SM1222 模塊，如圖2 所示為控制器中CPU-1214C 模塊的接線(xiàn)圖。

圖2 控制器中CPU-1214C 模塊的接線(xiàn)圖

2.3 模擬量轉(zhuǎn)換

利用部分傳感器檢測(cè)得到的是模擬量信號(hào)，無(wú)法直接輸入到控制器中，首先需要將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào)才能使用[6]。以溫度傳感器的數(shù)據(jù)處理過(guò)程為例進(jìn)行介紹，如圖3 所示為溫度數(shù)據(jù)處理功能程序。

圖3 溫度數(shù)據(jù)處理功能程序

利用溫度傳感器檢測(cè)得到的模擬量信號(hào)首先需要經(jīng)過(guò)線(xiàn)性光偶HCNR200 形成的隔離電路中，作用是將其與控制器進(jìn)行隔離，保障電路的運(yùn)行穩(wěn)定性，然后進(jìn)入SM1231 模塊中進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換。溫度傳感器輸出的模擬量信號(hào)為4～20 mA 的電流信號(hào)。經(jīng)過(guò)處理后可以得到0～27 648 的數(shù)字量信號(hào)。其中0 對(duì)應(yīng)的溫度為0 ℃，27 648 對(duì)應(yīng)的是100 ℃。

3 PLC 控制器主要工作程序設(shè)置

設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，以下主要介紹系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的基本控制流程圖。如圖4 所示為帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制基本流程圖。由圖4 可知，控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，首先對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行自檢，確保能正常工作后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)帶式輸送機(jī)按鈕。首先啟動(dòng)3 號(hào)帶式輸送機(jī)，延時(shí)5 s，一切正常后啟動(dòng)2 號(hào)帶式輸送機(jī)，延時(shí)10 s，一切正常后啟動(dòng)1 號(hào)帶式輸送機(jī)。完成設(shè)備啟動(dòng)工作后，運(yùn)行過(guò)程中利用傳感器監(jiān)測(cè)輸送機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)存在故障問(wèn)題，立即啟動(dòng)故障處理程序，依次停止1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)帶式輸送機(jī)，中間分別延遲5 s 和10 s。當(dāng)帶式輸送機(jī)需要停止工作時(shí)，按下停止按鈕，1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)帶式輸送機(jī)依次停止運(yùn)行，中間分別延遲5 s 和10 s。

圖4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制基本流程

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)整體方案，將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，各項(xiàng)功能都能正常實(shí)現(xiàn)以后，正式投入應(yīng)用。

截至目前，該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)15 個(gè)月。運(yùn)行期間對(duì)系統(tǒng)基本情況進(jìn)行觀察記錄，發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行良好，未出現(xiàn)故障問(wèn)題，可以對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)控，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)前后的設(shè)備故障率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的成功實(shí)踐應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)的故障率下降了50%以上，為設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)行以及煤礦開(kāi)采效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了很好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，所得結(jié)論主要有：

1）系統(tǒng)主要原理是利用傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。利用S7-1200 型PLC 控制器分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并下達(dá)指令對(duì)輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，保障設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定和安全。

2）控制器與上位機(jī)之間屬于長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸，選用工業(yè)以太網(wǎng)，控制器與傳感器、變頻器之間屬于短距離傳輸，選用性能穩(wěn)定的RS-485 通信協(xié)議。

3）將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，通過(guò)連續(xù)15 個(gè)月時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)效果良好，設(shè)備故障率降低50%以上，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。