任文清，王泰基，梁占澤，韓 雷

0 引言

隨著礦井自動化與智能化生產(chǎn)水平的不斷提高，對生產(chǎn)機電設備的關鍵部位進行重點監(jiān)控顯得尤為重要。目前神東煤炭集團公司大柳塔煤礦主運輸膠帶機、綜采順槽膠帶機、煤倉及煤倉給煤機和倉上刮板等系統(tǒng)全都實現(xiàn)了自動化遠程集中控制。但對于膠帶機驅(qū)動滾筒軸承溫度的監(jiān)控還處在盲區(qū)。以前大多都是通過現(xiàn)場點溫儀定時測試或崗位工憑借經(jīng)驗測聽軸承異響等辦法識別滾筒的運行狀態(tài)。顯然這兩種方式都存在較大弊端:現(xiàn)場定時測溫畢竟不是實時監(jiān)測，存在溫度變化跟蹤不及時或漏檢、數(shù)據(jù)信息獲取延誤等問題;而憑借崗位工經(jīng)驗聽取軸承座異響判斷故障，存在“馬后炮”現(xiàn)象。即一方面工作人員不可能長時間堅守在某一固定滾筒測聽，即使可以一直監(jiān)聽某滾筒異響，也可能因膠帶機開機后噪音過高而出現(xiàn)診斷失誤;另一方面即使工作人員發(fā)現(xiàn)了滾筒軸承座處有異響，說明設備已經(jīng)存在問題或即將故障停機，也根本起不到提前預防維護的作用。

因此，引進當前最可靠的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，即基于EtherNet/IP通信協(xié)議，并借助Modbus網(wǎng)關轉(zhuǎn)換通信協(xié)議設計出專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸通道，將礦內(nèi)主運輸膠帶機滾筒溫度數(shù)據(jù)全部上傳至區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了膠帶機滾筒溫度的實時監(jiān)控。當溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，可在系統(tǒng)內(nèi)設置高級報警，提醒工作人員提前對膠帶機滾筒軸承運行狀態(tài)重點關注。發(fā)現(xiàn)隱患時可及早進行維修保養(yǎng)，從而有效降低了膠帶機運行的故障率，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠技術支持。

1 EtherNet/IP協(xié)議概述

1．1 EtherNet/IP協(xié)議定義及原理

EtherNet/IP(Ethernet Industrial Protocol)簡稱EIP，是一種通用工業(yè)協(xié)議(Common Industrial Protocol，以下簡稱 CIP)，與 ControlNet和 DeviceNet一樣，擁有共同的工業(yè)自動化控制應用層協(xié)議。它是基于標準的TCP/IP協(xié)議，只是在TCP(傳輸控制協(xié)議)或UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)報文的數(shù)據(jù)嵌入了CIP封裝協(xié)議。其封裝協(xié)議的主要任務是定義和規(guī)范了如何封裝和傳輸上層協(xié)議報文，以及如何管理和利用下層TCP/IP連接，起到承上啟下的作用［1］。

EtherNet/IP協(xié)議利用以太網(wǎng)UDP協(xié)議將UDP報文映射到IP多播傳送，并存在兩種類型的網(wǎng)絡數(shù)據(jù):一種是通過隱形報文傳輸系統(tǒng)中實時I/O數(shù)據(jù)、動作控制數(shù)據(jù)和功能性安全等實時性與周期性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效I/O的數(shù)據(jù)交換;另一種是利用以太網(wǎng)TCP的流量控制和點對點特性，通過顯性報文傳輸系統(tǒng)中的狀態(tài)、診斷、配置等非實時性與非周期性數(shù)據(jù)［2］。

1．2 EtherNet/IP 協(xié)議優(yōu)點

目前EtherNet/IP協(xié)議己成為國際標準，由于具備應用價格低廉、軟硬件產(chǎn)品豐富、通信傳輸速率高、技術較成熟等優(yōu)點，得到了全球很多工業(yè)企業(yè)的大力支持。其顯著優(yōu)越性是將TCP/IP和Ethernet技術融合在了一起，通過以太網(wǎng)軟硬件，為實現(xiàn)工業(yè)自動化設備的診斷、訪問與配置定義了一個應用層協(xié)議［3］。與其他通信協(xié)議相比，其主要優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾方面。

易集成性:因EtherNet/IP協(xié)議使用的是標準TCP/IP以太網(wǎng)，有利于企業(yè)通過Internet對工業(yè)自動化設備進行集成管理。

設備間一致性:工業(yè)自動化網(wǎng)絡設備統(tǒng)一遵守共同的規(guī)范，彼此可以傳送具體有效的即時信息，為EtherNet/IP協(xié)議解決網(wǎng)絡設備之間互操作難等問題奠定基礎。

尖端安全技術:尖端安全技術實現(xiàn)了不間斷地系統(tǒng)集成，并且能夠在同一網(wǎng)絡上同時運行安全設備和標準。

前沿同步技術:對于大部分工業(yè)自動化應用中，前沿同步技術使得同步精度不超過100 ms。

廣泛的支持性:EtherNet/IP與ControlNet和DeviceNet擁有相同的共享對象庫和設備規(guī)范，得到了全世界很多工業(yè)企業(yè)的廣泛應用，EtherNet/IP具備了最廣泛的支持性。

2 Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器

Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是工業(yè)自動化系統(tǒng)的一個網(wǎng)絡集線器轉(zhuǎn)換設備，下與智能儀表連接，將下位儀表的數(shù)據(jù)采集到Modbus網(wǎng)關，上與計算機網(wǎng)絡連接，按Modbus TCP協(xié)議規(guī)約與網(wǎng)絡計算機通信。Modbus通信協(xié)議可分為兩大類:一類是支持串口(一般為 RS232C或 RS485等)的 Modbus ASCII或Modbus RTU，另一類是支持以太網(wǎng)的Modbus TCP。其中Modbus RTU是通過二進制形式表現(xiàn)，具有通信效率高、數(shù)據(jù)結構緊湊等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場應用比較廣泛。而Modbus ASCII是通過ASCII碼傳輸，并且利用特殊字符作為其字節(jié)的開始與結束標識，其傳輸效率要遠遠低于Modbus RTU協(xié)議，一般只有在通信數(shù)據(jù)量較小的情況下才考慮使用Modbus ASCII通信協(xié)議。而Modbus TCP是結合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡和TCP/IP網(wǎng)絡標準，以MODBUS作為應用協(xié)議標準的數(shù)據(jù)表示方法［4］。Modbus TCP協(xié)議是在Modbus RTU協(xié)議上加一個MBAP報文頭，其通信報文被封裝于以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包中。與串口方式相比，Modbus TCP插入一個標準的MODBUS報文到TCP報文中，不再帶有數(shù)據(jù)校驗和地址，即Modbus TCP協(xié)議中沒有CRC校驗碼。

3 膠帶機滾筒軸承溫度數(shù)據(jù)上傳方案

本方案設計原則是基于EIP協(xié)議的溫度數(shù)據(jù)上傳，其主要的硬件部分由溫度傳感器鉑熱電阻(PT100)、YHW200礦用本安型溫度檢測儀、交換機、EIP協(xié)議服務器、Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器、上位機服務器及顯示器組成。

3．1 數(shù)據(jù)接入方案設計

為考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，文中將溫度檢測儀采集到的數(shù)據(jù)通過EIP協(xié)議服務器接入環(huán)網(wǎng)交換機，數(shù)據(jù)將通過生產(chǎn)控制專用環(huán)網(wǎng)傳入數(shù)據(jù)中心?，F(xiàn)以大柳塔煤礦5－2煤上倉膠帶機為例，是由兩個驅(qū)動滾筒組成，每個滾筒左右各需接入一個鉑熱電阻PT100，共需接入4個溫度傳感器。綜合考慮各設備采購成本、設備及纜線布置方便性，文中設計出一套合理的數(shù)據(jù)傳輸方案，其數(shù)據(jù)接入設計方案如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接入設計方案

其中EIP協(xié)議服務器選用的是MOXA的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其主要功能是完成對通信規(guī)約的轉(zhuǎn)換，即通過Modbus TCP通信協(xié)議讀取YHW200溫度監(jiān)測儀采集到的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成EIP通信協(xié)議后以服務器的方式發(fā)布給上位機。此外，由于YHW200溫度監(jiān)測儀只支持Modbus RTU協(xié)議，而EIP協(xié)議服務器只支持Modbus TCP，因此還需在以太網(wǎng)里再加一個Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議到Modbus TCP協(xié)議之間的規(guī)約轉(zhuǎn)換。

3．2 溫度監(jiān)測儀測溫原理

采用由中煤科工集團重慶煤科院有限公司提供的YHW200礦用本安型溫度檢測儀。這是一種基于PIC單片機為核心的溫度檢測系統(tǒng)，可通過接入PT100鉑電阻而測量溫度，最多可以測量16路溫度信號，具有集成成本低、測量精度高、巡檢周期短等特點。溫度檢測儀主要由單片機、電源電路、看門狗自動復位、通訊電路、采樣電路、恒流源電路等組成。其測溫原理是通過電子開關轉(zhuǎn)換，將其內(nèi)部恒流源加到不同的PT100上面，然后測試三線制PT100電阻兩端的電壓，進而計算得出每路PT100的電阻，最后借助轉(zhuǎn)換函數(shù)計算出被測部位的實際溫度。

3．3 鉑熱電阻(PT100)安裝固定

溫度傳感器選擇PT100鉑熱電阻，其主要特性為阻值隨溫度的變化成正比關系。當PT100接入溫度巡檢儀輸入通道時，將完成信號組成、采樣、放大、轉(zhuǎn)換、線性處理等步驟，實現(xiàn)溫度信號的測量。文中測量膠帶機滾筒溫度主要是為測量軸承溫度，但PT100又不能直接深入軸承內(nèi)部，考慮最大化保證測量的準確性，只能將傳感器安裝在滾筒軸承座上。而膠帶機開機后由于滾筒軸承座有輕微振動，如果選擇高溫磁鐵PT100時，勢必會因振動而易脫落。因此為保證測量的穩(wěn)定性，本方案在軸承座上打孔攻絲，然后用螺釘將傳感器牢牢固定在軸承座上。

3．4 上位機監(jiān)控軟件選擇

大柳塔煤礦上位機綜合自動化系統(tǒng)采用區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)(LCS)，是基于德國PSI公司開發(fā)的一款自動化控制軟件(PSI Mining系統(tǒng))，通過管控一體化的三級SCADA平臺，將礦井采掘、供電、通風、主運、洗選、供排水和工業(yè)視頻等各孤立系統(tǒng)結合成一個有機的整體，實現(xiàn)了井下設備的云監(jiān)測和遠程控制、數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、報表業(yè)務及輔助決策和智能報警等功能。具有數(shù)據(jù)容量大，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，操作靈活可靠等特點［5］。

因此，將膠帶機滾筒軸承溫度數(shù)據(jù)接入?yún)^(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，通過讀取EIP服務器寄存器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)十六進制數(shù)處理并轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，形成點表錄入系統(tǒng)并與組態(tài)畫面進行數(shù)據(jù)關聯(lián)，通過數(shù)據(jù)模型生成和系統(tǒng)切換后，滾筒溫度數(shù)據(jù)即可呈現(xiàn)在上位機畫面中，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。另外，通過LCS系統(tǒng)平臺設定膠帶機滾筒軸承溫度上限報警和超溫停機臨界值。在膠帶機運行過程中，當溫度出現(xiàn)異常時，首先將達到報警值，系統(tǒng)畫面將呈黃色顯示，提醒工作人員重點關注;當溫度繼續(xù)升高至超溫停機值時，系統(tǒng)畫面將呈紅色顯示，提醒膠帶機出現(xiàn)故障停機。

4 結語

通過分析EIP協(xié)議在工業(yè)自動化領域里的應用優(yōu)勢，提出礦井膠帶機驅(qū)動滾筒軸承溫度數(shù)據(jù)上傳的合理性方案，并借助上位機自動化控制系統(tǒng)的強大功能，實現(xiàn)了膠帶機滾筒溫度數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、智能報警和保護停機等功能，為大柳塔煤礦逐步實現(xiàn)主運膠帶機“無人值守”奠定了基礎。同時，基于EIP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的方式屬于當前世界領先水平，也是將來工礦企業(yè)實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔荩⒃诠I(yè)自動化控制領域里得以應用推廣。