一種掘進皮帶一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案分析

張戰(zhàn)國

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇常州213015）

0 引言

掘進機工作環(huán)境復雜、惡劣，控制任務繁瑣、要求嚴格[1]。掘進巷道內(nèi)工作線長、機械設備多[2]，掘進皮帶負責將矸石運出巷道，掘進皮帶的電氣部分包括動力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩個主要組成。礦用組合開關(guān)具有簡化電纜連接、減少占地面積、減少供電線路的電壓降損耗、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點[3]，因而其在掘進皮帶動力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。而PLC由于具有性能穩(wěn)定、抗干擾性強、編程靈活等特點[4]，在帶式輸送機控制系統(tǒng)和工作面通信控制系統(tǒng)中廣泛應用。掘進皮帶的電控系統(tǒng)大多都是采用PLC作為控制核心，同時配備數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)，與皮帶沿線的拉繩閉鎖裝置進行通信。

現(xiàn)有的掘進皮帶應用中，組合開關(guān)和電控系統(tǒng)是完全獨立的，兩者通過硬接線或現(xiàn)場總線進行聯(lián)系，在掘進巷道中是分別布置的，這種方式存在以下兩個問題：

（1）占用空間較多，使巷道更加擁擠；

（2）組合開關(guān)中有PLC和顯示屏，電控系統(tǒng)中也有PLC和顯示屏，其功能本可以合并，但卻在兩套系統(tǒng)中各有設置，提高了成本。

為解決以上問題，設計了一種一體化的電控裝置，將電控系統(tǒng)的皮帶機頭控制部分放入組合開關(guān)，電控系統(tǒng)與組合開關(guān)共用同一個PLC和顯示屏，以減少皮帶機頭占用的空間，也能節(jié)省成本。這種方案的關(guān)鍵是重新設計電控裝置內(nèi)部的通信方案，保證通信穩(wěn)定高效。本文主要介紹一體化電控裝置數(shù)據(jù)通信方案的設計。

1 現(xiàn)有動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案

現(xiàn)有組合開關(guān)的數(shù)據(jù)通信方案如圖1所示。

圖1 組合開關(guān)數(shù)據(jù)通信方案

動力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中包含有各個回路的數(shù)據(jù)，例如電壓、電流、隔離開關(guān)狀態(tài)等。顯示屏通過RS485接口讀取動力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)，向用戶進行展示，同時用戶可以通過顯示屏對回路的參數(shù)進行設定。動力系統(tǒng)的PLC通過RS485接口從網(wǎng)關(guān)中讀取數(shù)據(jù)，PLC根據(jù)各個回路的狀態(tài)對回路的開關(guān)進行控制，同時可以實現(xiàn)多回路聯(lián)動的邏輯。上位機通過RS845接口連接PLC，上位機可以是地面集控系統(tǒng)，也可以是掘進皮帶電控系統(tǒng)。

這種方案存在的主要問題是PLC實現(xiàn)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，上位機想要讀取回路數(shù)據(jù)，必須通過PLC進行轉(zhuǎn)發(fā)。PLC是可編程控制器，邏輯控制是其核心功能，在數(shù)據(jù)量大的情況下，讓其做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作會影響其邏輯處理的響應速度，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

2 現(xiàn)有電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案

現(xiàn)有掘進皮帶電控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方案如圖2所示。

圖2 掘進皮帶電控系統(tǒng)通信方案

電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接掘進皮帶沿線的拉繩閉鎖開關(guān)和傳感器，拉繩閉鎖開關(guān)的數(shù)量、狀態(tài)和各種傳感器的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。電控系統(tǒng)的PLC通過RS485接口從網(wǎng)關(guān)中讀取掘進皮帶沿線的數(shù)據(jù)。顯示屏通過以太網(wǎng)接口從PLC讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機交互。電控系統(tǒng)中設置有交換機，可以擴展一路網(wǎng)口，此路網(wǎng)口用于連接上位機，上位機是指井下集控系統(tǒng)或地面集控系統(tǒng)。

掘進皮帶沿線主要包含拉繩閉鎖開關(guān)和各種傳感器，這些數(shù)據(jù)涉及到皮帶的急停，事關(guān)安全，所以需要較高的實時性。在各種現(xiàn)場總線中，CAN總線具有較好的實時性，因此，多數(shù)皮帶電控系統(tǒng)的沿線傳輸采用CAN總線。CAN總線是一種多主結(jié)構(gòu)，總線上的節(jié)點按照時間先后獲得總線控制權(quán)，當有多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用基于數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級的無損仲裁方法，確保實時性要求高的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)出。在總線空閑的時候，任何一個節(jié)點都可以發(fā)起數(shù)據(jù)，這相對于主從輪詢結(jié)構(gòu)的總線，拉繩閉鎖開關(guān)或傳感器的數(shù)據(jù)能在更短的時間內(nèi)傳輸?shù)骄蜻M機頭。多數(shù)PLC具有RS485接口，但并不具有CAN總線接口，因此在電控系統(tǒng)中設計有網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)到RS485數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

這種方案存在的主要問題依然是PLC實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，加重了PLC的負荷，不利于控制邏輯的穩(wěn)定。PLC的優(yōu)勢在于邏輯控制而非數(shù)據(jù)處理，因此，用PLC做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是電控系統(tǒng)中的一個不穩(wěn)定因素。相對于PLC，顯示屏具有更強的數(shù)據(jù)處理能力，完全可以由顯示屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這是電控系統(tǒng)可以改進的地方。

3 一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案

掘進皮帶一體化電控裝置是將電控系統(tǒng)機頭部分的組件放入組合開關(guān)中，可以節(jié)省一部分外殼成本，同時動力系統(tǒng)和電控系統(tǒng)共用PLC和顯示屏，優(yōu)化內(nèi)部通信方案，使通信更加簡潔高效。保留原有電控系統(tǒng)的PLC和顯示屏，其具有更豐富的通信接口。

一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案如圖3所示，其特點如下：

（1）電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上增加1路RS485接口，同時增加1路RS232-RS485轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)顯示屏通過RS232接口與電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通信；

（2）電控系統(tǒng)PLC通過RS485接口與動力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接，讀取必要的組合開關(guān)回路控制數(shù)據(jù)；

（3）電控系統(tǒng)PLC通過RS485接口與電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)連接，讀取與皮帶啟停、急停相關(guān)的數(shù)據(jù)；

（4）顯示屏可以與動力系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)直接通信，無需通過PLC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；

（5）顯示屏將一體化電控裝置中的所有數(shù)據(jù)進行匯集，并通過以太網(wǎng)接口連接上位機。

這種方案中，原有系統(tǒng)大部分硬件無需改動，僅在電控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)增加1路RS485接口和1個RS232-RS485轉(zhuǎn)換器。PLC只做邏輯控制，只通過RS485讀取跟控制相關(guān)的數(shù)據(jù)，顯示屏負責數(shù)據(jù)匯集及轉(zhuǎn)發(fā)，PLC和顯示屏都很好地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，通信流程更加清晰，通信效率更高。

4 結(jié)語

圖3 一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案

掘進皮帶一體化電控裝置可以減少掘進皮帶巷的設備數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，節(jié)省布局空間，而數(shù)據(jù)通信方案是實現(xiàn)一體化的關(guān)鍵部分。本文介紹了現(xiàn)有皮帶電控系統(tǒng)和組合開關(guān)的數(shù)據(jù)通信方案存在的問題，闡述了一體化電控裝置數(shù)據(jù)通信方案的特點，對比分析可知，一體化電控裝置的數(shù)據(jù)通信方案組件更簡潔、功能劃分更清晰合理、通信效率更高。此方案的效果已在實際應用中得到驗證，對于組合開關(guān)和皮帶電控系統(tǒng)的設計具有一定的參考意義。