劉楊斌，馬艷梅

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

近年來，隨著煤礦智能化程度的不斷提升，帶式輸送機(jī)也得到了越發(fā)廣泛地應(yīng)用，它利用摩擦驅(qū)動(dòng)的原理，完成一系列連續(xù)動(dòng)作，從而達(dá)到運(yùn)輸?shù)哪康?。在其運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些故障,如打滑、煙霧、堆煤、超溫、跑偏等，在一定程度上影響了煤礦的安全生產(chǎn)。為了避免發(fā)生上述故障，帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)孕育而生。它不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，還能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的保護(hù)。帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使皮帶機(jī)有了可靠的保護(hù)[1]。帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)具體功能如下：第一，具有一系列保護(hù)功能，如堆煤保護(hù)、跑偏保護(hù)、張緊力保護(hù)、溫度保護(hù)、 速度保護(hù)、煙霧保護(hù)、緊急停車和撕裂保護(hù)等；第二，具有在上位機(jī)觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示故障信息，并在故障出現(xiàn)時(shí)及時(shí)進(jìn)行相關(guān)報(bào)警；第三，引入信息融合處理，整合帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)中各傳感器收集到的信息，通過控制核心CPU進(jìn)行綜合處理，消除冗余與矛盾的信息，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；第四，具有將故障信息保存到U盤或打印報(bào)表，方便用戶查詢和管理。為了滿足以上的新要求，設(shè)計(jì)了一種基于西門子S7-1215C CPU智能分站控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)以及上下位機(jī)之間的TCP/IP以太網(wǎng)通信三部分組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并爭(zhēng)對(duì)相關(guān)故障進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地處理，從而確保帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)安全、高效、可靠地運(yùn)行。

1 下位機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 S7-1215C PLC介紹

下位機(jī)采用西門子S7-1215C PLC作為控制核心，該類型PLC具有較高的性能價(jià)格比，用于工業(yè)控制領(lǐng)域，主要有如下特點(diǎn)：第一，編程簡(jiǎn)單，可現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序；第二，維護(hù)方便，采用可插入式模塊結(jié)構(gòu)；第三，可靠性高；第四，相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，顯得小巧、靈活；第五，強(qiáng)大的通信功能，便于和外部通信；第六，成本較繼電器控制系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)；第七，豐富的外部接口便于系統(tǒng)擴(kuò)展。該P(yáng)LC提供集成的PROFINET接口，可用于編程軟件SETP7通信，增強(qiáng)了CPU與外部的通訊能力。此外CPU還通過開放的TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議與第三方設(shè)備通信，數(shù)據(jù)通信傳輸速率可達(dá)100Mbit/s，實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)單、靈活的工業(yè)通信。另外，CPU自帶14個(gè)數(shù)字量輸入端口和10個(gè)數(shù)字量輸出端口，以及2路模擬量輸入和2路模擬量輸出。并且擴(kuò)展機(jī)架最大可擴(kuò)展7個(gè)模塊，在很大程度上提升了CPU的系統(tǒng)處理能力。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，配置6ES7 234-4HE32-0XB0(4路模擬量輸入、2路模擬量輸出)和6ES7 232-4HB32-0XB0(2路模擬量輸出模塊)模塊，CPU可結(jié)合各模塊更好地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和處理[2]。

1.2 下位機(jī)工作原理

下位機(jī)硬件電路框圖如圖1所示。S7-1215C PLC智能控制單元擴(kuò)展模塊有開關(guān)量、模擬量輸入，可將速度傳感器、堆煤傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器等傳感器信號(hào)接入6ES7 234-4HE32-0XB0模塊，控制核心S7-1215C PLC對(duì)采集過來的模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，對(duì)各傳感器信號(hào)進(jìn)行融合處理，及時(shí)高效進(jìn)行測(cè)量與控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)有故障出現(xiàn)時(shí)，S7-1215C PLC通過數(shù)字量輸出模塊輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器，作出一系列相應(yīng)處理，同時(shí)可在MCGS觸摸屏上顯示相關(guān)報(bào)警信息以及系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于用戶進(jìn)行查看，有助于用戶及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖1 下位機(jī)硬件電路框圖

1.3 信息融合概念

信息融合實(shí)質(zhì)為數(shù)據(jù)融合，分為傳感器信息融合以及多傳感器信息融合。它是一種信息處理過程，主要通過計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，按照一定的準(zhǔn)則對(duì)由若干傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析、處理，從而完成相應(yīng)的決策和任務(wù)。由此可見，信息融合的核心是協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理，硬件基礎(chǔ)是多傳感器系統(tǒng)，處理對(duì)象是多源信息。

1.3.1 對(duì)信息融合的理解

一是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為尋求對(duì)控制對(duì)象狀態(tài)的精確判定，對(duì)信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的分析和處理，如檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、相關(guān)以及估計(jì)等；二是對(duì)由傳感器探測(cè)的各類信息，通過計(jì)算機(jī)處理技術(shù)進(jìn)行分析和綜合處理后，得到預(yù)期的合成信息。

1.3.2 信息融合技術(shù)

第一，數(shù)據(jù)融合理論方法研究；第二，多探測(cè)器不完全測(cè)量數(shù)據(jù)融合的算法研究；第三，專家系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用技術(shù)；第四，目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別方法研究；第五，并行處理技術(shù)在數(shù)據(jù)融合中應(yīng)用研究；第六，數(shù)據(jù)融合中一系列技術(shù)的研究，如信息的采集、分析和資源保護(hù)安全技術(shù)等。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)引入信息融合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

第一，提供穩(wěn)定的工作性能。系統(tǒng)中各傳感器在工作時(shí)彼此獨(dú)立，互不干擾，若系統(tǒng)中任一傳感器因自身原因不能正常工作或因受到外界干擾而檢測(cè)不到外部信號(hào)時(shí)，并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其他傳感器正常工作造成影響。第二，提高空間分辨力。系統(tǒng)主要采用幾何方法形成一個(gè)傳感器孔徑，這樣系統(tǒng)中多傳感器在工作時(shí)，可獲得相比于任何單一傳感器更高的分辨力。第三，獲得更準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。系統(tǒng)通過改進(jìn)檢測(cè)性能，從而提高了系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和可信度。主要通過以下方式：一是減少關(guān)于目標(biāo)或事件的假設(shè)集合；二是對(duì)各個(gè)獨(dú)立測(cè)量結(jié)果進(jìn)行有效綜合，如對(duì)同一檢測(cè)對(duì)象的多次測(cè)量或多個(gè)不同傳感器的獨(dú)立測(cè)量進(jìn)行有效綜合。

1.3.4 獲得單個(gè)傳感器不能獲得的目標(biāo)信息

多傳感系統(tǒng)以其自身所固有的冗余度，這對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的可靠性和容錯(cuò)性有很大程度地提高。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是傳感器之間的頻率互補(bǔ)性可以擴(kuò)大空間、時(shí)間的覆蓋范圍；二是增加了測(cè)量空間的維數(shù)，減少外界環(huán)境下各因素產(chǎn)生干擾，從而避免在系統(tǒng)工作時(shí)造成檢測(cè)盲點(diǎn)。

1.4 信息融合處理

本控制系統(tǒng)是一個(gè)由多傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)需對(duì)其包含的各類傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于各類傳感器反饋信息種類多樣，并且具有信息量大、各信息之間關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)；同時(shí)為確保系統(tǒng)的高可靠性，對(duì)傳感器的檢測(cè)需要確保高效準(zhǔn)確。鑒于此本系統(tǒng)引入信息融合處理，對(duì)各類傳感器反饋信息進(jìn)行內(nèi)部整合，協(xié)調(diào)各信息之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)地提取各類傳感器信息，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高可靠性。本控制系統(tǒng)信息融合結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。將各類傳感器分成三組，第一組為速度、煤位和跑偏；第二組為溫度、煙霧和粉塵；第三組為急停、撕裂和張緊力。信息融合大致分為以下三個(gè)步驟，第一，預(yù)處理各類傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，完成后進(jìn)行信息融合；第二，將同一組傳感器反饋進(jìn)行信息融合；第三對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傳感器反饋信息融合。

圖2 信息融合結(jié)構(gòu)模型

本系統(tǒng)以第二組為例，對(duì)粉塵、煙霧和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要實(shí)現(xiàn)兩種控制，分別為灑水電磁閥控制和停車控制。灑水控制系統(tǒng)有正常、灑水和停車灑水三種結(jié)果。下圖為灑水控制中有無信息融合的比較，其中，圖3為直接根據(jù)各傳感器的反饋信息進(jìn)行控制；圖4為根據(jù)三類傳感器的反饋信息經(jīng)信息融合后做出決策。由圖3、圖4可以了解，通過信息融合綜合分析各傳感器的反饋信息，通過優(yōu)化準(zhǔn)則組合各傳感器的互補(bǔ)及冗余信息，最后做出是否灑水的決策，使一些相關(guān)狀態(tài)只需經(jīng)灑水處理便可以達(dá)到正常，而不需要進(jìn)行停車控制，從而提升系統(tǒng)的可靠性和精確度。

圖3 傳感器直接反饋控制

圖4 傳感器反饋經(jīng)信息融合控制

2 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)的主要功能概述

本系統(tǒng)的上位機(jī)采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC1061TD進(jìn)行上位組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)。MCGS TPC1061TD觸摸屏是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，具有組態(tài)功能強(qiáng)，畫面效果良好等特點(diǎn)。它是一種有著高性價(jià)比的HMI人機(jī)界面，采用先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心(主頻300MHz)，觸摸屏利用網(wǎng)線即可建立與S7-1215C CPU之間的以太網(wǎng)通信連接，通訊傳輸速率快且穩(wěn)定可靠。用戶通過觸摸屏界面能更方便快捷地與應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。MCGS TPC1061TD觸摸屏具有以下特點(diǎn)：第一，支持USB設(shè)備，比如U盤、USB鼠標(biāo)、USB鍵盤、USB打印機(jī)等；第二，支持多種通訊協(xié)議，如串口、以太網(wǎng)等，可連接不同協(xié)議的設(shè)備，大大提升了應(yīng)用的靈活性；第三，支持歷史數(shù)據(jù)記錄、歷史故障報(bào)警等，同時(shí)可將信息保存到U盤或SD卡，并且可以轉(zhuǎn)換為Excel文件，更加方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè)；第四，強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理能力，為控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行提供了有力保障。

2.2 上位機(jī)工作原理

本系統(tǒng)上位機(jī)采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC1061TD作為友好人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了與S7-1215C PLC的以太網(wǎng)通信。本系統(tǒng)中，利用S7-1215C PLC智能單元對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理及控制，同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)作出相應(yīng)的處理，從而確保智能控制系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

2.3 上位機(jī)的調(diào)試

2.3.1 初始畫面

系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行初始畫面，如圖5所示。點(diǎn)擊“登錄”按鈕，會(huì)彈出系統(tǒng)登錄界面，如圖6所示。正確輸入用戶名和登錄密碼后，將進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行主畫面。若用戶名或密碼不正確，將無法進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行主界面。

圖5 系統(tǒng)初始畫面

圖6 系統(tǒng)登錄界面

2.3.2 主畫面

初始畫面正確輸入用戶名和登錄密碼后，可進(jìn)入系統(tǒng)主畫面，如圖7所示。在主畫面上可顯示帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)速度、溫度、張力等值，并可顯示帶式輸送機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)主畫面

2.3.3 報(bào)警畫面

主畫面上點(diǎn)擊“報(bào)警信息”按鈕，可進(jìn)入報(bào)警畫面，如圖8所示。當(dāng)S7-1215C CPU檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)，可在報(bào)警畫面顯示實(shí)時(shí)的故障信息，便于用戶及時(shí)了解帶式輸送機(jī)故障信息并進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)可設(shè)置相應(yīng)時(shí)間段，查詢系統(tǒng)歷史報(bào)警信息，更加方便高效的完成用戶對(duì)系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

圖8 報(bào)警畫面

3 上下位機(jī)之間的通信

本系統(tǒng)上位機(jī)觸摸屏與下位機(jī)S7-1215C CPU之間通過PROFINET以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通信速率可達(dá)100 Mbit/s，實(shí)現(xiàn)高速、高可靠性數(shù)據(jù)交互[3]。

3.1 PROFINET以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

PROFINET以太網(wǎng)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)新一代自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，它由PROFIBUS國際組織推出，具有很大的優(yōu)越性，能完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。PROFINET應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，如在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制以及分布式自動(dòng)化等領(lǐng)域都有著PROFINET的身影，以其自身的特點(diǎn)為自動(dòng)化控制領(lǐng)域提供一套完整的解決方案。隨著工業(yè)控制智能化的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化程度也在不斷提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)正由分散式向分布式自動(dòng)化逐步轉(zhuǎn)變，這使得各系統(tǒng)的分散程度也越來越高。為控制各系統(tǒng)之間協(xié)同工作，在各系統(tǒng)之間引入PROFINET以太網(wǎng)，將各系統(tǒng)連接到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中，便于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)、圖像等信息的交互。同時(shí)通過專用圖形化組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)各組件間的通訊配置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置及調(diào)試過程，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率。根據(jù)不同的時(shí)間響應(yīng)，PROFINET以太網(wǎng)支持下列三種通訊方式。一是TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊。PROFINET使用的是TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)，是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其響應(yīng)時(shí)間是ms量級(jí)，此響應(yīng)量級(jí)不算太快，但對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域來說，此響應(yīng)量級(jí)足以滿足系統(tǒng)控制要求。二是實(shí)時(shí)(RT)通訊。PROFINET具有優(yōu)越的實(shí)時(shí)性能，在這一點(diǎn)上已經(jīng)超過了現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。對(duì)于基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)來說，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包通信時(shí)，對(duì)響應(yīng)時(shí)間有著相對(duì)較高的要求?；诖耍琍ROFINET通過提供一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層(Layer 2)的實(shí)時(shí)通訊通道，通過該實(shí)時(shí)通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通訊棧中的處理時(shí)間。三是同步實(shí)時(shí)(IRT)通訊。在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)有高效的響應(yīng)性，這就對(duì)通訊實(shí)時(shí)性有著較高的要求?；诖?，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中引入PROFINET的同步實(shí)時(shí)技術(shù)，以滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)高速通訊的需求，確保在100個(gè)節(jié)點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和抖動(dòng)誤差分別在1 ms以下以及在1 μs以下，從而確保運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地響應(yīng)。基于PROFINET以太網(wǎng)通信的一些特點(diǎn)以及自身的優(yōu)越性能，本系統(tǒng)采用PROFINET以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)觸摸屏與下位機(jī)PLC之間的通信。

3.2 上下位機(jī)之間通信實(shí)現(xiàn)

用網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)下位機(jī)1215C PLC 與MCGS觸摸屏之間的通信連接，具體設(shè)置如下圖 9 所示。遠(yuǎn)端(電腦)IP地址要和本地(觸摸屏)IP地址設(shè)置為同一網(wǎng)段(子網(wǎng)掩碼相同，IP 地址前三位相同，最后一位不同)。上位機(jī)完成畫面程序編制，且上下位機(jī)之間以太網(wǎng)通訊建立好之后，可進(jìn)入上位機(jī)程序下載畫面，如圖10所示。上下位機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)連接方式選擇為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)機(jī)名為觸摸屏IP地址，可點(diǎn)擊“通訊測(cè)試”，測(cè)試上下位機(jī)之間的通訊連接是否正常。設(shè)置好之后，點(diǎn)擊“工程下載”，可將上位機(jī)畫面程序下載至觸摸屏中。

圖9 上下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置

圖10 上位機(jī)程序下載畫面

4 結(jié)語

本系統(tǒng)為智能分站控制系統(tǒng)，集監(jiān)測(cè)、控制和管理為一體，采用TCP/IP以太網(wǎng)通信方式，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信，確保了通信的高效和高可靠性[4]；引入信息融合概念對(duì)傳感器進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)高效地對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，極大地提高了系統(tǒng)的控制精度。S7-1215C PLC完成數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)則將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并可打印報(bào)表輸出，更加方便用戶對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順應(yīng)了煤礦井下機(jī)電智能化的發(fā)展方向，具有很好的應(yīng)用前景。