基于EIP協(xié)議膠帶機(jī)滾筒溫度數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任文清，王泰基，梁占澤，韓 雷

0 引言

隨著礦井自動(dòng)化與智能化生產(chǎn)水平的不斷提高，對(duì)生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控顯得尤為重要。目前神東煤炭集團(tuán)公司大柳塔煤礦主運(yùn)輸膠帶機(jī)、綜采順槽膠帶機(jī)、煤倉及煤倉給煤機(jī)和倉上刮板等系統(tǒng)全都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化遠(yuǎn)程集中控制。但對(duì)于膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)點(diǎn)溫儀定時(shí)測(cè)試或崗位工憑借經(jīng)驗(yàn)測(cè)聽軸承異響等辦法識(shí)別滾筒的運(yùn)行狀態(tài)。顯然這兩種方式都存在較大弊端:現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫畢竟不是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在溫度變化跟蹤不及時(shí)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(yàn)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(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)守在某一固定滾筒測(cè)聽，即使可以一直監(jiān)聽某滾筒異響，也可能因膠帶機(jī)開機(jī)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(shè)備已經(jīng)存在問題或即將故障停機(jī)，也根本起不到提前預(yù)防維護(hù)的作用。

因此，引進(jìn)當(dāng)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(guān)轉(zhuǎn)換通信協(xié)議設(shè)計(jì)出專業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸通道，將礦內(nèi)主運(yùn)輸膠帶機(jī)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(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)滾筒溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置高級(jí)報(bào)警，提醒工作人員提前對(duì)膠帶機(jī)滾筒軸承運(yùn)行狀態(tài)重點(diǎn)關(guān)注。發(fā)現(xiàn)隱患時(shí)可及早進(jìn)行維修保養(yǎng)，從而有效降低了膠帶機(jī)運(yùn)行的故障率，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠技術(shù)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(jiǎn)稱EIP，是一種通用工業(yè)協(xié)議(Common Industrial Protocol，以下簡(jiǎn)稱 CIP)，與 ControlNet和 DeviceNet一樣，擁有共同的工業(yè)自動(dòng)化控制應(yīng)用層協(xié)議。它是基于標(biāo)準(zhǔn)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(bào)協(xié)議)報(bào)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(wù)是定義和規(guī)范了如何封裝和傳輸上層協(xié)議報(bào)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(bào)文映射到IP多播傳送，并存在兩種類型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù):一種是通過隱形報(bào)文傳輸系統(tǒng)中實(shí)時(shí)I/O數(shù)據(jù)、動(dòng)作控制數(shù)據(jù)和功能性安全等實(shí)時(shí)性與周期性數(shù)據(jù)，實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)特性，通過顯性報(bào)文傳輸系統(tǒng)中的狀態(tài)、診斷、配置等非實(shí)時(shí)性與非周期性數(shù)據(jù)［2］。

1．2 EtherNet/IP 協(xié)議優(yōu)點(diǎn)

目前EtherNet/IP協(xié)議己成為國際標(biāo)準(zhǔn)，由于具備應(yīng)用價(jià)格低廉、軟硬件產(chǎn)品豐富、通信傳輸速率高、技術(shù)較成熟等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)融合在了一起，通過以太網(wǎng)軟硬件，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的診斷、訪問與配置定義了一個(gè)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)，有利于企業(yè)通過Internet對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行集成管理。

設(shè)備間一致性:工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shí)信息，為EtherNet/IP協(xié)議解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間互操作難等問題奠定基礎(chǔ)。

尖端安全技術(shù):尖端安全技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不間斷地系統(tǒng)集成，并且能夠在同一網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)運(yùn)行安全設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)。

前沿同步技術(shù):對(duì)于大部分工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，前沿同步技術(shù)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(duì)象庫和設(shè)備規(guī)范，得到了全世界很多工業(yè)企業(yè)的廣泛應(yīng)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(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)集線器轉(zhuǎn)換設(shè)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(guān)，上與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，按Modbus TCP協(xié)議規(guī)約與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)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(jìn)制形式表現(xiàn)，具有通信效率高、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jié)束標(biāo)識(shí)，其傳輸效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)合了以太網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以MODBUS作為應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(gè)MBAP報(bào)文頭，其通信報(bào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS報(bào)文到TCP報(bào)文中，不再帶有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和地址，即Modbus TCP協(xié)議中沒有CRC校驗(yàn)碼。

3 膠帶機(jī)滾筒軸承溫度數(shù)據(jù)上傳方案

本方案設(shè)計(jì)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(cè)儀、交換機(jī)、EIP協(xié)議服務(wù)器、Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換器、上位機(jī)服務(wù)器及顯示器組成。

3．1 數(shù)據(jù)接入方案設(shè)計(jì)

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(cè)儀采集到的數(shù)據(jù)通過EIP協(xié)議服務(wù)器接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，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(jī)為例，是由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒組成，每個(gè)滾筒左右各需接入一個(gè)鉑熱電阻PT100，共需接入4個(gè)溫度傳感器。綜合考慮各設(shè)備采購成本、設(shè)備及纜線布置方便性，文中設(shè)計(jì)出一套合理的數(shù)據(jù)傳輸方案，其數(shù)據(jù)接入設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)接入設(shè)計(jì)方案

其中EIP協(xié)議服務(wù)器選用的是MOXA的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其主要功能是完成對(duì)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(cè)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(wù)器的方式發(fā)布給上位機(jī)。此外，由于YHW200溫度監(jiān)測(cè)儀只支持Modbus RTU協(xié)議，而EIP協(xié)議服務(wù)器只支持Modbus TCP，因此還需在以太網(wǎng)里再加一個(gè)Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)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(cè)儀測(cè)溫原理

采用由中煤科工集團(tuán)重慶煤科院有限公司提供的YHW200礦用本安型溫度檢測(cè)儀。這是一種基于PIC單片機(jī)為核心的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，可通過接入PT100鉑電阻而測(cè)量溫度，最多可以測(cè)量16路溫度信號(hào)，具有集成成本低、測(cè)量精度高、巡檢周期短等特點(diǎn)。溫度檢測(cè)儀主要由單片機(jī)、電源電路、看門狗自動(dòng)復(fù)位、通訊電路、采樣電路、恒流源電路等組成。其測(cè)溫原理是通過電子開關(guān)轉(zhuǎn)換，將其內(nèi)部恒流源加到不同的PT100上面，然后測(cè)試三線制PT100電阻兩端的電壓，進(jìn)而計(jì)算得出每路PT100的電阻，最后借助轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算出被測(cè)部位的實(shí)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(guān)系。當(dāng)PT100接入溫度巡檢儀輸入通道時(shí)，將完成信號(hào)組成、采樣、放大、轉(zhuǎn)換、線性處理等步驟，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的測(cè)量。文中測(cè)量膠帶機(jī)滾筒溫度主要是為測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性，只能將傳感器安裝在滾筒軸承座上。而膠帶機(jī)開機(jī)后由于滾筒軸承座有輕微振動(dòng)，如果選擇高溫磁鐵PT100時(shí)，勢(shì)必會(huì)因振動(dòng)而易脫落。因此為保證測(cè)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(jī)監(jiān)控軟件選擇

大柳塔煤礦上位機(jī)綜合自動(dòng)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(dòng)化控制軟件(PSI Mining系統(tǒng))，通過管控一體化的三級(jí)SCADA平臺(tái)，將礦井采掘、供電、通風(fēng)、主運(yùn)、洗選、供排水和工業(yè)視頻等各孤立系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了井下設(shè)備的云監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、報(bào)表業(yè)務(wù)及輔助決策和智能報(bào)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(diǎn)［5］。

因此，將膠帶機(jī)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(wù)器寄存器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)十六進(jìn)制數(shù)處理并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，形成點(diǎn)表錄入系統(tǒng)并與組態(tài)畫面進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)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(jī)畫面中，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外，通過LCS系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)定膠帶機(jī)滾筒軸承溫度上限報(bào)警和超溫停機(jī)臨界值。在膠帶機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時(shí)，首先將達(dá)到報(bào)警值，系統(tǒng)畫面將呈黃色顯示，提醒工作人員重點(diǎn)關(guān)注;當(dāng)溫度繼續(xù)升高至超溫停機(jī)值時(shí)，系統(tǒng)畫面將呈紅色顯示，提醒膠帶機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)。

4 結(jié)語

通過分析EIP協(xié)議在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提出礦井膠帶機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸承溫度數(shù)據(jù)上傳的合理性方案，并借助上位機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)滾筒溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能報(bào)警和保護(hù)停機(jī)等功能，為大柳塔煤礦逐步實(shí)現(xiàn)主運(yùn)膠帶機(jī)“無人值守”奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，基于EIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的方式屬于當(dāng)前世界領(lǐng)先水平，也是將來工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔?shì)，并將在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域里得以應(yīng)用推廣。