基于以太網的礦用帶式輸送機遠程控制系統研究

李明軒

（山西澤州天泰能源有限公司， 山西 晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機的結構原理決定了特別適合散裝物料的運輸，因此在煤礦領域被廣泛應用，它的作用主要是對煤礦物料進行長距離運輸[1]。然而煤礦領域的工作環境非常復雜，帶式輸送機運行過程中難免會出現各類故障問題，影響其運行穩定性[2]?？刂葡到y作為輸送機的重要構成部分，其性能會直接影響運行可靠性和穩定性[3]。針對輸送機的控制系統，很多技術人員和學者開展了一定的研究，取得了很好的成果，在促進輸送機控制系統國產化方面起到了很大的作用[4]?；诖嗽谝延醒芯砍晒幕A上，結合煤礦帶式輸送機的特點，基于工業以太網技術設計了輸送機的遠程控制系統，將其應用到工程實踐中，達到了預期效果。

1 遠程控制系統整體方案設計

1.1 三維模型建立

研究的帶式輸送機系統總輸送長度為570 m，同時由3 臺設備進行輸送，如圖1 所示為煤礦中使用的帶式輸送機遠程控制系統的整體方案框圖?？梢钥闯?，控制系統以S7-1200 型PLC 控制器為核心。利用速度傳感器及各類保護傳感器，對帶式輸送機運行過程中的狀態數據信息進行實時采集，并上傳至控制器中進行綜合分析處理，其中保護傳感器包括斯帶、煙霧、跑偏、溫度、電流等傳感器?？刂破鞲鶕幚斫Y果，對帶式輸送機系統中的3 臺電機及其配套的變頻器進行遠程控制，達到實時調節設備運行狀態的效果。同時控制器與上位機連接，將數據實時上傳至上位機中進行存儲，在監控大屏上顯示相關數據，工作人員能實時掌握帶式輸送機的運行狀態。

圖1 提升機天輪的結構示意圖

1.2 數據傳輸方式

1.2.1 上位機與控制器之間的數據傳輸

對于遠程控制系統而言，上位機與控制器之間的數據傳輸穩定性會影響系統的正常工作[5]?？紤]到煤礦環境比較復雜，容易受到外部環境因素的干擾。因此，在控制器與上位機之間利用數據傳輸比較穩定的工業以太網進行通信，具體的通信協議為Modbus/TCP。

工業以太網的Modbus/TCP 通信協議共分為5 個層級，其中第1 層為以太網物理層，作用是提供設備的物理接口；第2 層為CSMA/CD IEEE802.3，作用是對硬件地址數據幀進行格式化處理，第3 層為IP，作用是生成一個IP 報文包，屬于32 位數據；第4 層為TCP，作用是傳輸、調度、重發、查錯、連接以及端口服務；第5 層為應用層，作用是構建協議的報文。

1.2.2 控制器與傳感器、變頻器之間的數據傳輸

對于距離比較近的控制器與傳感器、變頻器之間的數據通信，目前應用較多的是RS-232 和RS-485通信，兩者都有較好的實踐效果。實踐經驗表明，后者的通信穩定性比前者相對要高，因此本控制系統利用后者來建立控制器與傳感器、變頻器之間的數據通信。最大的傳輸距離和傳輸速率分別可以達到1 200 m和10 Mbit/s。

2 遠程控制系統設計

2.1 電氣控制系統設計

遠程控制系統中主要電氣元器件和設備的原理及其相互聯系，需要利用電氣原理圖來表示，帶式輸送機的電氣原理，采用的是三相四線制連接方式。另外，為了保障電氣運行安全，在帶式輸送機前面的火線和零線中間增加設置了開關電源，特殊情況下可以利用電源進行斷電，確保設備及人員的安全。

2.2 I/O 接口統計及其分配

遠程控制系統中的S7-1200 型PLC 控制器需要接收各類傳感器及開關量的狀態數據，還要向變頻器等下達控制指令，因此需要準確統計I/O 口的數量。結合帶式輸送機實際情況，傳感器的類型主要分為三類，分別為開關量輸入、模擬量輸入和開關量輸出。其中，開關量輸入需要的I/O 接口數量包括跑偏6 個，煙霧、打滑、撕帶分別為3 個，啟動和停止分別為1 個，急停為3 個；模擬量輸入需要的I/O 接口數量包括模式切換和溫度檢測各1 個，電流檢測3 個；開關量輸出需要的I/O 接口數量包括拉緊裝置和超溫灑水各1 個，狀態指示燈3 個。綜合以上共計需要30 個I/O 接口。

系統中使用的控制器型號為S7-1200，對應的CPU 型號為CPU-1214C。但該CPU 自帶的I/O 接口數量不夠其實際使用，因此需要增加開關量模塊、模擬量輸出模塊和開關量輸出模塊各1 個，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 模塊的接線圖。

圖2 控制器中CPU-1214C 模塊的接線圖

2.3 模擬量轉換

利用部分傳感器檢測得到的是模擬量信號，無法直接輸入到控制器中，首先需要將其轉換成為數字量信號才能使用[6]。以溫度傳感器的數據處理過程為例進行介紹，如圖3 所示為溫度數據處理功能程序。

圖3 溫度數據處理功能程序

利用溫度傳感器檢測得到的模擬量信號首先需要經過線性光偶HCNR200 形成的隔離電路中，作用是將其與控制器進行隔離，保障電路的運行穩定性，然后進入SM1231 模塊中進行模擬量轉換。溫度傳感器輸出的模擬量信號為4～20 mA 的電流信號。經過處理后可以得到0～27 648 的數字量信號。其中0 對應的溫度為0 ℃，27 648 對應的是100 ℃。

3 PLC 控制器主要工作程序設置

設計的遠程控制系統可以實現自動控制和手動控制，以下主要介紹系統自動運行時的基本控制流程圖。如圖4 所示為帶式輸送機遠程控制系統的自動控制基本流程圖。由圖4 可知，控制系統開始運行后，首先對自身狀態進行自檢，確保能正常工作后進入運行狀態，啟動帶式輸送機按鈕。首先啟動3 號帶式輸送機，延時5 s，一切正常后啟動2 號帶式輸送機，延時10 s，一切正常后啟動1 號帶式輸送機。完成設備啟動工作后，運行過程中利用傳感器監測輸送機系統的狀態，一旦發現存在故障問題，立即啟動故障處理程序，依次停止1 號、2 號和3 號帶式輸送機，中間分別延遲5 s 和10 s。當帶式輸送機需要停止工作時，按下停止按鈕，1 號、2 號和3 號帶式輸送機依次停止運行，中間分別延遲5 s 和10 s。

圖4 遠程控制系統的自動控制基本流程

4 控制系統的應用分析

根據上文設計的帶式輸送機遠程控制系統整體方案，將其應用到煤礦工程實踐中，經過現場調試，確保系統能夠正常運行，各項功能都能正常實現以后，正式投入應用。

截至目前，該遠程控制系統在工程中的應用時間已經超過15 個月。運行期間對系統基本情況進行觀察記錄，發現整體運行良好，未出現故障問題，可以對輸送機的運行狀態進行遠程、實時、準確、可靠的監控，并結合實際情況對運行狀態進行調整。通過對應用系統前后的設備故障率進行對比，發現系統的成功實踐應用，使得帶式輸送機的故障率下降了50%以上，為設備的穩定可靠運行以及煤礦開采效率的提升奠定了堅實基礎，為煤礦企業創造了很好的安全效益和經濟效益。

5 結論

對煤礦帶式輸送機的遠程控制系統進行了研究，所得結論主要有：

1）系統主要原理是利用傳感器對帶式輸送機的運行狀態進行檢測。利用S7-1200 型PLC 控制器分析設備運行狀態，并下達指令對輸送機系統運行過程進行控制，保障設備運行穩定和安全。

2）控制器與上位機之間屬于長距離數據傳輸，選用工業以太網，控制器與傳感器、變頻器之間屬于短距離傳輸，選用性能穩定的RS-485 通信協議。

3）將遠程控制系統部署到煤礦工程實踐中，通過連續15 個月時間的現場應用，發現效果良好，設備故障率降低50%以上，安全效益和經濟效益顯著。