孫祖明

(天地科技股份有限公司， 北京 100013)

0 引言

主井提升系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)的咽喉，也是煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，直接關(guān)系著礦山企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用，其主井提升自動(dòng)化水平得到很大提高，但還存在以下問題[1-3]:

1) 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)獨(dú)立運(yùn)行卻不能完全協(xié)同。雖然主井上口和下口各自實(shí)現(xiàn)了裝卸載全自動(dòng)、打點(diǎn)全自動(dòng)和提升機(jī)往復(fù)運(yùn)行全自動(dòng)，但銜接時(shí)還需要人工協(xié)同操作，效率不高且影響提升運(yùn)行的安全性、可靠性。

2) 主井提升系統(tǒng)需全時(shí)配備操作工和絞車司機(jī)數(shù)名，受井下的粉塵、井上提升機(jī)車間的噪聲和電磁污染等職業(yè)危害較大。

3) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分散、共享能力低，形成信息孤島，不利于全生產(chǎn)鏈設(shè)備的故障分析，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)判和健康管理。

4) 監(jiān)控方式單一，只能滿足車間操作員站的監(jiān)控功能，不能完全滿足廠區(qū)管理層和集團(tuán)管理層的信息監(jiān)控需要，以致影響精準(zhǔn)調(diào)度和科學(xué)決策。

綠色生產(chǎn)是礦山企業(yè)發(fā)展的主線，無人化是數(shù)字礦山建設(shè)的發(fā)展方向。2016年10月版《煤礦安全規(guī)程》第428條中提出“自動(dòng)化運(yùn)行的專用于提升物料的箕斗提升機(jī)，可不配備司機(jī)值守，但應(yīng)當(dāng)設(shè)圖像監(jiān)視并定時(shí)巡檢”。為此,針對主井提升系統(tǒng)目前存在的問題，利用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)鏈的各個(gè)組成部分銜接到一起，形成鏈節(jié)協(xié)同、數(shù)據(jù)共享、集中監(jiān)控的生產(chǎn)模式，能夠減員增效，提升礦山生產(chǎn)的數(shù)字化水平和管理水平。

1 主井提升集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

主井提升系統(tǒng)接入環(huán)網(wǎng)站點(diǎn)[3]如圖1所示。

圖1 主井提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化布局

按空間布局的不同，可將站點(diǎn)劃分為井上站點(diǎn)和井下站點(diǎn)：

1) 井上部分包括主控系統(tǒng)、主機(jī)房網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組、井口攝像機(jī)組、集控中心、調(diào)度中心、井口信號分站和操作室信號分站等。

2) 井下部分包括井下信號、裝卸載控制系統(tǒng)、井下網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組、井下控制分站、饋電開關(guān)、綜保開關(guān)和輸送帶保護(hù)器等。

按功能的不同，系統(tǒng)站點(diǎn)可劃分為控制站點(diǎn)和監(jiān)控站點(diǎn)：

1) 控制站點(diǎn)包括主控制系統(tǒng)的可編程控制器(PLC)、操作室信號分站的PLC、井口信號分站的PLC、井下信號、裝卸載控制分站的PLC和井下控制分站的PLC等。

2) 監(jiān)控站點(diǎn)包括調(diào)度中心上位機(jī)、集控中心上位機(jī)、主控制系統(tǒng)的上位機(jī)和操作室信號分站的上位機(jī)等。

主控系統(tǒng)作為提升系統(tǒng)的核心，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接各個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)和控制分站，形成分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)配置具有冗余功能的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。當(dāng)環(huán)網(wǎng)中的骨干鏈接斷開時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)會(huì)通過另一半鏈路進(jìn)行傳輸,以保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。各個(gè)受控站點(diǎn)分別配有獨(dú)立IP地址，將采集的各類數(shù)據(jù)信息經(jīng)過以太網(wǎng)總線傳輸至各監(jiān)控站點(diǎn)。通過分級授權(quán)管理模式，調(diào)度中心和集控中心各級管理人員或操作人員利用接入環(huán)網(wǎng)的上位機(jī)或觸摸屏等人機(jī)界面,對主井提升系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)控對象進(jìn)行視頻監(jiān)視和數(shù)據(jù)監(jiān)控。監(jiān)控對象包括井下的皮帶系統(tǒng)、給煤機(jī)系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)和井上的卸載系統(tǒng)、提升機(jī)主機(jī)系統(tǒng)、高低壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等。

2 主井提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信故障監(jiān)測

通信數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)在主井提升系統(tǒng)各站點(diǎn)間互相傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包括控制指令數(shù)據(jù)、控制閉鎖數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性控制是網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵，時(shí)延最小化是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)保證[4-6]。主井提升系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)輻射范圍大，接入網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)多,應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中斷或延時(shí)過長時(shí)，控制指令、閉鎖數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)無法傳輸，主控方或受控方會(huì)在該時(shí)間段“致盲”、“失控”，從而影響主井的安全生產(chǎn)。在嚴(yán)苛的安全生產(chǎn)背景下，做好電磁兼容(EMC)和防護(hù)設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)做好通信故障監(jiān)測，即在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信故障的情況下，各站點(diǎn)能夠各自及時(shí)監(jiān)測通信故障并執(zhí)行安全保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)，監(jiān)控站點(diǎn)的上位機(jī)軟件能夠及時(shí)監(jiān)測通信故障并通過人機(jī)交互界面報(bào)警。

2.1 通信時(shí)延實(shí)時(shí)監(jiān)測原理

根據(jù)主井提升控制工藝，在有通信內(nèi)容的每兩個(gè)通信站點(diǎn)間加設(shè)通信時(shí)延監(jiān)測[7-8]，監(jiān)測內(nèi)容為在兩個(gè)站點(diǎn)間互相傳送的測試數(shù)據(jù)(流信息)。兩個(gè)通信站點(diǎn)分別設(shè)為監(jiān)測流信息發(fā)送端Send和監(jiān)測流信息接收端Rec。Send發(fā)送流信息給Rec，Rec收到流信息后即刻將流信息轉(zhuǎn)發(fā)給Send，Send根據(jù)流信息數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送和回傳的時(shí)間，從而得到數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間。

TD=T-Tse-Trep

(1)

式中:T為Send接收到Rec回饋監(jiān)測信息的時(shí)間戳;TD為網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間;Trep為Rec接收到流信息到Rec轉(zhuǎn)發(fā)回饋流信息給Send的處理時(shí)間戳;Tse為Send發(fā)送監(jiān)測流信息的時(shí)間戳。Send發(fā)出的監(jiān)控流信息中時(shí)間戳為對計(jì)時(shí)時(shí)鐘(累加計(jì)數(shù))的取樣值，時(shí)鐘累加計(jì)數(shù)周期為1 ms。

數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間的計(jì)算如圖2所示。A、B、C3點(diǎn)為Send的時(shí)鐘累加取樣，a、c兩點(diǎn)為Rec接收到的流信息數(shù)據(jù)，忽略轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間Trep(設(shè)為0)，設(shè)Send和Rec間雙向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間相同。Send在A處t0時(shí)刻發(fā)送時(shí)間戳數(shù)據(jù)T0，Rec在t0+TD時(shí)刻接收到數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)回傳，Send在B處t0+2TD時(shí)刻收到數(shù)據(jù)T0，B處時(shí)鐘采樣值T1-T0的差值即為數(shù)據(jù)通信延遲時(shí)間的2倍。同理，下一個(gè)監(jiān)測流信息在t1時(shí)刻發(fā)出，在D點(diǎn)位置監(jiān)測的通信延遲時(shí)間為(T3-T2)/2。

圖2 站點(diǎn)間通信監(jiān)測原理

2.2 站點(diǎn)間通信監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)主井提升工藝控制要求對控制站(PLC)與監(jiān)控站(上位機(jī))間鏈路、控制站與控制站間鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信互相監(jiān)測。站點(diǎn)間通過互相發(fā)送用于通信監(jiān)測的流信息并對流信息進(jìn)行解析處理來判斷通信質(zhì)量。發(fā)送監(jiān)測信息的站點(diǎn)作為主動(dòng)監(jiān)測方(Send)，轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信息的站點(diǎn)作為被動(dòng)監(jiān)測方(Rec)。由于各站點(diǎn)對監(jiān)測流信息的采集速度不同，故對不同站點(diǎn)通信監(jiān)測采用不同監(jiān)測頻率。對于監(jiān)控站，由于其采集數(shù)據(jù)速度較慢，需采用較慢速度的監(jiān)測頻率。選取控制站(作為Send方)和監(jiān)控站(作為Rec方)分別進(jìn)行研究。

控制站對網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)測流程如圖3所示。將監(jiān)測周期(監(jiān)測脈沖)設(shè)為10 ms。監(jiān)測使能后，Send方響應(yīng)監(jiān)測脈沖，讀取時(shí)鐘值繼而將流信息打包、發(fā)送；同時(shí)，存儲接收(Rec方返回?cái)?shù)據(jù))數(shù)據(jù)，在下一個(gè)監(jiān)測脈沖響應(yīng)之前，對時(shí)鐘值和讀取的時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得出通信時(shí)延結(jié)果，并判斷是否超時(shí)。

圖3 控制站通信監(jiān)測流程

監(jiān)控站對網(wǎng)絡(luò)通信的監(jiān)測流程如圖4所示。將監(jiān)測周期(監(jiān)測脈沖)設(shè)為1 000 ms(監(jiān)控站對通信數(shù)據(jù)采集周期較長，最短周期為250 ms，監(jiān)測周期需大于監(jiān)控站采集周期)。監(jiān)測程序先進(jìn)行初始化，在對監(jiān)測使能后，讀取流信息并進(jìn)行解析。

對解析的脈沖信息處理：如果收到了低電平，對低電平次數(shù)累加計(jì)數(shù)并對標(biāo)志位flag置零(收到低電平)。如果低電平累計(jì)次數(shù)過多(通信中斷)則報(bào)警，未能觸發(fā)報(bào)警則再次讀流信息；如果收到了高電平，對標(biāo)志位flag進(jìn)行判斷。如果flag=1(說明讀取的數(shù)據(jù)與前次讀取的數(shù)據(jù)相同，通信可能已經(jīng)中斷)，對該狀態(tài)累加計(jì)數(shù)并與閥值比較。如果flag=0(說明讀取的數(shù)據(jù)與前次讀取的數(shù)據(jù)不同)，對flag置位并轉(zhuǎn)發(fā)流信息的時(shí)間數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)據(jù)清零并循環(huán)讀取流信息。

圖4 監(jiān)控站通信監(jiān)測流程

3 通信監(jiān)測試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

按照圖3所示流程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)測編程，控制站(Send)發(fā)送的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖5(a)所示，接收到由Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖5(b)所示，兩個(gè)計(jì)時(shí)曲線的即時(shí)時(shí)間差如圖5(c)所示。在某時(shí)刻取計(jì)時(shí)差值53 ms，得到通信時(shí)延為53/2=26.5 ms。

(a) Send方時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(b) Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(c) 時(shí)鐘計(jì)時(shí)差值曲線

同理，按照圖4所示流程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)測編程，控制站(Send)發(fā)送的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖6(a)所示，接收到由Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖6(b)所示，兩個(gè)計(jì)時(shí)曲線的即時(shí)時(shí)間差如圖6(c)所示，監(jiān)測脈沖如圖6(d)所示。在某時(shí)刻取計(jì)時(shí)差值112 ms(去除1 000 ms監(jiān)測周期時(shí)間)，得到通信時(shí)延為112/2=56 ms。

(a) Send方時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(b) Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(c) 時(shí)鐘計(jì)時(shí)差值曲線

(d) 監(jiān)測脈沖

向通信網(wǎng)絡(luò)加載頻率800 Hz、幅值860 V的電快速瞬變脈沖群(Electrical Fast Transient Burs，EFTB)，如圖7所示。脈沖群造成了通信中斷，Send方發(fā)送的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖8(a)所示，接收到由Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線如圖8(b)所示，計(jì)時(shí)數(shù)值產(chǎn)生了停滯不變的現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測狀態(tài)如圖8(c)所示，監(jiān)測到三次網(wǎng)絡(luò)中斷并將故障狀態(tài)置“1”。

圖7 干擾脈沖群

(a) Send方時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(b) Rec方轉(zhuǎn)發(fā)回來的時(shí)鐘計(jì)時(shí)曲線

(c) 網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測

4 結(jié)論

研究了主井提升網(wǎng)絡(luò)通信的控制方案。為適用于數(shù)字化礦山數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要，給出了通信故障監(jiān)測原理和建模方法。該方案滿足了數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)通信安全的需要，有利于提高網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字控制的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主井提升系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延為23～76 ms，當(dāng)引入干擾脈沖群導(dǎo)致通信中斷時(shí)，該方法能及時(shí)監(jiān)測到通信故障。