徐宜賓

摘要：我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展穩(wěn)步推進，在各個行業(yè)的應用全面展開，在工業(yè)領域，物聯(lián)網(wǎng)技術的應用有效帶動了產(chǎn)業(yè)智能化信息化?，F(xiàn)今為滿足昆明鋼鐵集團有限公司玉溪大紅山礦業(yè)有限公司生產(chǎn)需求，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，搭建同步電動機勵磁設備監(jiān)控平臺。解決礦山行業(yè)普遍存在的因地域分散導致的各種困難，實現(xiàn)設備參數(shù)的數(shù)據(jù)匯總、遠程實時監(jiān)控、歷史記錄以及故障報警等功能，使礦山生產(chǎn)更安全、高效、智能。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);勵磁設備;監(jiān)控;同步電動機;礦山

一、引言

從2005年國際電信聯(lián)盟明確提出Internet of Things即物聯(lián)網(wǎng)概念，并預想出未來無所不在的通信網(wǎng)絡開始，全球物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，整體上已經(jīng)步入擴大生產(chǎn)擴大使用全面推廣的階段[1]。國際上，大國一直將物聯(lián)網(wǎng)視為提升國際競爭力的重要戰(zhàn)略布局，大力推進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在第四次工業(yè)革命的進程中，物聯(lián)網(wǎng)既是工業(yè)革命的產(chǎn)物又是工業(yè)革命的推手，工業(yè)強國紛紛將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到生產(chǎn)制造過程中去，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的信息化升級。

企業(yè)要高質(zhì)量發(fā)展，必須要跟上信息化的腳步，在數(shù)字化生產(chǎn)環(huán)境的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，加強信息互聯(lián)互通，從而掌控全局，提高生產(chǎn)過程的可控性，減少人為干預的隨機性，加強監(jiān)測采集的即時性，統(tǒng)籌規(guī)劃使生產(chǎn)計劃更合理，構建高效、節(jié)能、環(huán)保、智慧的信息化生產(chǎn)環(huán)境[2]。

在礦山行業(yè)，普遍存在生產(chǎn)礦井分散，距離行政辦公環(huán)境遠，距離監(jiān)控中心遠的問題[3]。由于距離阻隔，給礦山行業(yè)生產(chǎn)、計量、監(jiān)控、控制都帶來了極大的困難。利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以實現(xiàn)遠程通信，將設備運行狀況發(fā)送給監(jiān)控中心，也可以遠程控制設備，使現(xiàn)場、監(jiān)控、行政做到信息化互聯(lián)互通，距離不再阻礙生產(chǎn)，一些不便人員常駐的生產(chǎn)環(huán)境也可以變?yōu)闊o人值守。昆明鋼鐵集團有限公司玉溪大紅山礦業(yè)有限公司現(xiàn)有同步電動機勵磁設備14臺即面臨上述困難，本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術搭建勵磁設備監(jiān)控平臺，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)匯總、遠程實時監(jiān)控、歷史記錄以及故障報警等功能。有效滿足了玉溪大紅山礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)勵磁設備的信息化管理。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術概述

物聯(lián)網(wǎng)是一個十分寬泛的概念，它的基本定義是讓物理對象能被獨立尋址并實現(xiàn)互聯(lián)互通。它的實際應用是將實體通過信息設備，傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行信息交換[4]。它的目的是為了使所有的物理實體互聯(lián)互通，實現(xiàn)信息化智能化的管理。

物聯(lián)網(wǎng)從技術結構上可以分為三層：感知層、網(wǎng)絡層、應用層[5]。如圖1所示。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的底層，但它是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力，主要解決物理實體的數(shù)據(jù)獲取和連接問題。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構成，傳感器包括各種物理量傳感器、攝像頭、條碼設備、GPS以及射屏識別器。

網(wǎng)絡層是物聯(lián)網(wǎng)的中間層，它主要由私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線通信網(wǎng)絡、無線通信網(wǎng)絡、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成。網(wǎng)絡層的功能包括分配地址、路由、交換和鏈接的建立保持與終止等[6]。其目的是使實體與實體之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。近年飛速發(fā)展的云計算則為物聯(lián)網(wǎng)海量的數(shù)據(jù)提供了存儲平臺，并通過數(shù)據(jù)庫技術，數(shù)據(jù)挖掘技術和各類人工智能技術對大量的數(shù)據(jù)進行分析處理，是物聯(lián)網(wǎng)最強大的技術支持。

應用層是物聯(lián)網(wǎng)的最上層，物聯(lián)網(wǎng)的應用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)為用戶提供豐富的特定服務，可分為監(jiān)控型如物流監(jiān)控、污染監(jiān)控;查詢型如智能檢索、遠程抄表;控制型如智能交通、智能家居、路燈控制;掃描型如手機錢包、ETC等[7]。應用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的，軟件開發(fā)、智能控制技術將會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應用[8]。

三、監(jiān)控平臺設計

3.1 情況概述

玉溪大紅山礦業(yè)有限公司現(xiàn)有同步電動機勵磁設備14臺，均為武漢科大電控KGLF-3S型勵磁柜。勵磁柜部件包括西門子S7-1200PLC、西門子S7-200PLC、可控硅、勵磁控制器等。勵磁柜用于鐵礦球磨工藝段同步電動機的勵磁。目前的球磨工藝基本實現(xiàn)自動化控制，但生產(chǎn)工藝復雜，干擾多，必須操作人員值守。然而球磨機體積巨大，通常球磨機之間間隔距離遠，多車間之間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)有困難。單個球磨機的控制設備也因體積巨大導致較為分散，導致操作人員需要四處跑動，不利于提高生產(chǎn)效率。同時，球磨工藝段現(xiàn)場噪音巨大，危害操作人員健康，不利于長時間值守。因此，需要將球磨工藝的各項參數(shù)與控制機能傳遞至監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)各車間生產(chǎn)，監(jiān)控設備運行狀況，給操作人員更舒適的生產(chǎn)環(huán)境。其中，勵磁柜的各項運行參數(shù)包括運行狀態(tài)、同步速度、投勵方式、異步時間、全壓時間、勵磁電壓、勵磁電流等均需要傳遞至監(jiān)控中心，并具有遠程讀寫功能。

3.2 感知層設計

由于勵磁設備所需的外部傳感器不復雜，監(jiān)測位置基本位于柜內(nèi)，所以傳感器均使用有線連接。傳感器包括交流電壓傳感器、交流電流傳感器、功率因數(shù)傳感器、溫度傳感器。除溫度傳感器外，均使用AC220V轉(zhuǎn)DC24V的開關電源供電。傳感器將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出，西門子EM235模塊接受此電流信號，最終在S7型PLC中轉(zhuǎn)換為實際的電流、電壓、溫度值。此外，其他不需傳感器接受的的運行參數(shù)如開關量等，已由S7型PLC記錄。在物聯(lián)網(wǎng)結構上上S7型PLC不僅作為底層自動化控制的中樞，也同時做為傳感器網(wǎng)關發(fā)揮作用。使用成熟的可編程邏輯控制器搭建感知層，保障了設備的穩(wěn)定性，使設備方便擴展，方便組網(wǎng)，為后續(xù)的網(wǎng)絡層設計打下基礎。

3.3 網(wǎng)絡層設計

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層涉及到通信網(wǎng)絡七層協(xié)議中多個層的多種協(xié)議類型，因而十分復雜。常用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議如圖2所示。在網(wǎng)絡結構的物理層上，分為兩個大類有線通信與無線通信。其中無線通信又分為近距離通信、遠距離通信和蜂窩通信。有線通信使用最多的是以太網(wǎng)，其他使用有線物理層的還包括RS232、RS485等。近距離通信常見的包括使用于耳機、鼠標等無線設備的藍牙;使用于非接觸讀卡等近場通訊的NFC;使用于物流、ETC的RFID射頻識別。其他則還有Dash7、IRdA等近距離通信協(xié)議。遠距離通信最常見的是用于家庭無線網(wǎng)絡的Wi-Fi，以及適合私人組網(wǎng)的LoRa，ZigBee等。蜂窩通信是現(xiàn)在廣泛應用的移動通信方式，全球電信運營商均使用蜂窩通信技術為用戶提供移動通信業(yè)務，隨著蜂窩通信技術的發(fā)展，蜂窩通信模組大量的應用于物聯(lián)網(wǎng)設備，蜂窩通信也逐步成為物聯(lián)網(wǎng)服務的重要支柱。

在本設計中，考慮到設備的地域分布，有線通信與近距離通信都是無法實現(xiàn)的，同時現(xiàn)場的移動運營商網(wǎng)絡覆蓋良好，綜合現(xiàn)場情況以及成本考量，最終選擇具有蜂窩通信能力的KDDK-TXZ3系列物聯(lián)網(wǎng)模塊作為網(wǎng)絡層的主要設備。此系列模塊分為主模塊與從模塊，其中，從模塊具有以太網(wǎng)有線通信功能以及RS485網(wǎng)關功能，RS485網(wǎng)關可以兼容多項協(xié)議，包括MODBUS、PPI等。主模塊除上述從模塊具有的功能以外，還具有4G蜂窩通信功能。

網(wǎng)絡結構上，勵磁柜的PLC作為最底層的節(jié)點，通過RS485總線與TXZ3物聯(lián)網(wǎng)模塊通訊，其中西門子S7-300系列使用MODBUS協(xié)議，西門子S7-200系列使用PPI協(xié)議，將感知層采集的信息傳遞給物聯(lián)網(wǎng)模塊。物聯(lián)網(wǎng)模塊之間則使用以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議通信，需要架設以太網(wǎng)交換機，最終數(shù)據(jù)將通過以太網(wǎng)傳遞給物聯(lián)網(wǎng)主模塊，主模塊使用4G蜂窩通信功能將數(shù)據(jù)上傳至云端服務器。在具體設計上，基于實際需求、帶寬容量與成本考量，每個勵磁柜配置一個物聯(lián)網(wǎng)從模塊，位于同一機房的勵磁柜設備組配置一個交換機與一個物聯(lián)網(wǎng)主模塊，單一機房的網(wǎng)絡層結構如圖3所示，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡整體結構如圖4所示。

3.4 應用層設計

應用層作為物聯(lián)網(wǎng)結構的最上層，需要擔負數(shù)據(jù)存儲計算與人機交互的功能，完成這些功能的首要前提就是保障數(shù)據(jù)的安全。云端監(jiān)控平臺采用國內(nèi)成熟服務器運營商設備，具有DDoS攻擊防護、網(wǎng)絡入侵檢測、Web應用防護等安全防護功能。人機交互界面采取分級權限，設置值班人員，監(jiān)控人員，管理人員等分級，并對每一項數(shù)據(jù)設置讀寫權限，防止非專業(yè)人員誤操作。云端監(jiān)控平臺接受各主模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲在云端，按照分類形成數(shù)據(jù)表格、實時曲線圖等監(jiān)控頁面，使用者通過賬號密碼登錄到監(jiān)控平臺網(wǎng)頁即可實時監(jiān)控所有設備信息。云端監(jiān)控平臺還具備歷史信息記錄與統(tǒng)計功能，以及短信報警功能，記錄數(shù)據(jù)可生成圖表提供給使用者，便于對生產(chǎn)過程進行分析，監(jiān)控數(shù)據(jù)可按實際需求設置報警，當數(shù)值超出限制，云端將向指定的使用者發(fā)送報警短信提示故障。

四、結語

本設計所述物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺實現(xiàn)了同步電動機勵磁設備的遠程監(jiān)控與控制功能，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢與分析功能，解決了一部分礦山行業(yè)因地域分散帶來的難題，為生產(chǎn)管理人員提供了舒適便利的工作環(huán)境。在長期運行過程中，本監(jiān)控平臺運行穩(wěn)定，準確報障，提高了生產(chǎn)的效率與安全性。在智能化信息化工業(yè)浪潮中，本監(jiān)控平臺有充足的發(fā)展?jié)摿?，值得推廣。

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