智能化選煤廠工業(yè)通訊平臺(tái)的研究應(yīng)用

朱延濤

(平頂山中選自控系統(tǒng)有限公司，河南 平頂山 467000)

隨著工業(yè)控制及信息技術(shù)的發(fā)展，選煤廠也緊隨時(shí)代的發(fā)展，經(jīng)歷了電氣自動(dòng)化、信息化，智能化幾個(gè)階段。各個(gè)階段最重要的目的就是提高生產(chǎn)效率，同時(shí)將生產(chǎn)中各個(gè)崗位的工作人員從工作環(huán)境中解脫出來?，F(xiàn)階段最為熱門的智能化升級(jí)主要包含設(shè)備狀態(tài)感知、機(jī)器人應(yīng)用、生產(chǎn)過程預(yù)判、專家?guī)煜到y(tǒng)和移動(dòng)終端應(yīng)用等。各個(gè)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)是智能化系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的最重要支撐，獲取過程數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析也就成為了重中之重。

1 選煤廠數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及問題

智能化階段以來不同類型系統(tǒng)之間相互融合，邊界逐步模糊。以往只需要使用標(biāo)準(zhǔn)的工控通訊協(xié)議就能順利采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，目前面對(duì)綜合智能化系統(tǒng)，就顯得力不從心，需要增加Web通訊協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議等才能實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)功能的單一性導(dǎo)致不同的通訊協(xié)議需要不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)種類的多樣性就會(huì)使日后智能化系統(tǒng)的維護(hù)復(fù)雜化。為解決該項(xiàng)問題，不少PLC控制器廠商正在逐步將一些新興的物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議(如：MQTT)、通用工控協(xié)議(如：OPC UA) 直接集成到控制器中，但是受PLC處理器性能限制，傳遞數(shù)據(jù)數(shù)量非常有限，不能滿足智能化系統(tǒng)的需求。

2 解決方案

在榆林某國家重點(diǎn)保供選煤廠智能化升級(jí)項(xiàng)目中，需要采集數(shù)據(jù)涉及的系統(tǒng)如下：

(1)生產(chǎn)控制PLC系統(tǒng)；

(2)配電檢測(cè)儀表、水電耗計(jì)量?jī)x表；

(3)生產(chǎn)巡檢類機(jī)器人、操作類機(jī)器人；

(4)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；

(5)智能照明。

以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集橫跨了工控、Web、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)接口，由此本項(xiàng)目使用了基于樹莓派的工業(yè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，得益于其靈活的模塊化設(shè)計(jì)，使OPC UA協(xié)議、Modbus RTU、Modbus TCP、http、Profinet、MQTT完美融合在一起。

3 功能及實(shí)現(xiàn)

樹莓派是世界上最小的臺(tái)式機(jī)，又稱卡片式電腦，具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi電腦板，中文譯名“樹莓派”。項(xiàng)目中采用的是樹莓派最新型號(hào)Raspberry Pi 4B 具備1.5 Ghz運(yùn)行的64位四核處理器，最高支持以60 fps 速度刷新的4K分辨率的雙顯示屏，高達(dá)8 GB RAM，2.4/5.0 Ghz雙頻無線LAN，藍(lán)牙5.0/BLE，千兆以太網(wǎng)，USB3.0和PoE功能(圖1)。

圖1 工業(yè)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)

樹莓派之所以能夠兼容多種數(shù)據(jù)接口，主要得益于它集成的強(qiáng)大Python運(yùn)行環(huán)境、豐富的硬件擴(kuò)展接口和小巧便于分布的特點(diǎn)。項(xiàng)目中使用的工業(yè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)由多個(gè)功能模塊組成：工控協(xié)議模塊、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊、Web協(xié)議模塊、看守模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、運(yùn)行配置模塊。

(1)工控協(xié)議模塊：主要實(shí)現(xiàn)工控協(xié)議類數(shù)據(jù)采集，例如PLC系統(tǒng)、儀器儀表、單機(jī)系統(tǒng)。生產(chǎn)控制PLC系統(tǒng)是選煤廠運(yùn)轉(zhuǎn)的核心系統(tǒng)，Python不僅可以通過模塊化實(shí)現(xiàn)Modbus TCP、Modbus RTU、Profinet、Ethernet/IP等工控通訊協(xié)議，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。項(xiàng)目中主要使用了Profinet通訊協(xié)議，對(duì)S7-1500 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

配電檢測(cè)儀表、水電耗計(jì)量?jī)x表是實(shí)現(xiàn)智能化選煤廠設(shè)備狀態(tài)感知的主要途徑，也為生產(chǎn)過程預(yù)判提供設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)負(fù)載、生產(chǎn)消耗等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整生產(chǎn)，提高效率。儀表數(shù)據(jù)采集方式主要是使用儀表通訊端口，通常是使用485總線的Modbus rtu協(xié)議。由于樹莓派的體積小，便于分布安裝，將配備了485擴(kuò)展版的樹莓派采集平臺(tái)分別安裝在各個(gè)485數(shù)據(jù)采集總線連接處，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)也作為智能化系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。

(2)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊：主要使用了物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議。MQTT是用于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)消息傳遞協(xié)議。它被設(shè)計(jì)為一種非常輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳送，非常適合以較小的代碼占用量和網(wǎng)絡(luò)帶寬連接遠(yuǎn)程設(shè)備。

在此次項(xiàng)目中為減少智能化信息中心數(shù)據(jù)處理量，對(duì)分布在廠區(qū)重要區(qū)域的藍(lán)牙采集器附近安裝了樹莓派采集平臺(tái)，進(jìn)行分區(qū)域數(shù)據(jù)采集。藍(lán)牙采集器實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并采集區(qū)域內(nèi)崗位人員佩戴的多功能藍(lán)牙手環(huán)信息，通過MQTT協(xié)議將崗位人員的位置、心率、血壓等狀態(tài)信息推送到安裝在本區(qū)域的樹莓派采集平臺(tái)，采集平臺(tái)根據(jù)設(shè)定過濾掉重復(fù)及錯(cuò)誤信息，將有效數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊傳遞回智能化信息中心，信息中心系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定判斷工作人員健康狀態(tài)，同時(shí)判斷是否開啟或關(guān)閉指定區(qū)域照明。

(3)Web協(xié)議模塊：工業(yè)機(jī)器人是高度集成化的多功能系統(tǒng)，包括環(huán)境溫度及有害氣體檢測(cè)，實(shí)時(shí)視頻反饋，遠(yuǎn)程指令執(zhí)行等功能。本項(xiàng)目主要應(yīng)用在機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和報(bào)警數(shù)據(jù)采集。由于機(jī)器人系統(tǒng)只能提供http接口，于是通過樹莓派采集平臺(tái)，采用http協(xié)議周期性采集環(huán)境溫度、有害氣體數(shù)據(jù)、機(jī)器人報(bào)警信息。將數(shù)據(jù)過濾后的有效數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊傳遞回智能化信息中心。

(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊：該模塊主要功能是將其他數(shù)據(jù)采集模塊采集、存放在指定數(shù)據(jù)寄存器區(qū)中的數(shù)據(jù)，通過OPC UA Server、Modbus Tcp server 、WebServer 3種形式轉(zhuǎn)發(fā)給第三方數(shù)據(jù)用戶。項(xiàng)目中對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的專家系統(tǒng)、報(bào)警展示系統(tǒng)采用了OPC UA接口和Modbus Tcp接口與智能化信息中心交互數(shù)據(jù)。對(duì)于采集間隔周期相對(duì)較長的水電消耗、人員健康狀態(tài)、位置信息，則采用WebServer 接口定時(shí)推送數(shù)據(jù)到智能化信息中心。

(5)看守模塊：該模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等模塊是否正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，按照設(shè)定策略進(jìn)行處理。當(dāng)錯(cuò)誤無法修正時(shí)向智能化信息中心提供故障信息。

(6)運(yùn)行配置模塊：配置方式采用Web頁面的配置方式，對(duì)數(shù)據(jù)采集方案、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，轉(zhuǎn)發(fā)方案進(jìn)行設(shè)定。這種配置方式不僅實(shí)現(xiàn)分布在不同區(qū)域的樹莓派采集平臺(tái)的功能設(shè)置，還能隨時(shí)查看各平臺(tái)的溫度、系統(tǒng)負(fù)載率等信息。

4 應(yīng)用效果

分布在選煤廠各個(gè)區(qū)域的樹莓派采集平臺(tái)，根據(jù)采集目標(biāo)數(shù)據(jù)的性質(zhì)不同，設(shè)定不同采集頻率。

(1)生產(chǎn)工藝相關(guān)的集控?cái)?shù)據(jù)，需要真實(shí)反映生產(chǎn)流程中設(shè)備的狀態(tài)及指標(biāo)參數(shù)，要求實(shí)時(shí)性較高，設(shè)定刷新頻率一般為500 ms，通訊中斷閾值設(shè)定為1 000 ms(看守模塊檢測(cè)到采集程序通訊標(biāo)志位超過閾值時(shí)間不改變認(rèn)為通訊故障)?；緷M足采集數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步的要求，能夠真實(shí)反應(yīng)生產(chǎn)狀態(tài)。

(2)水電耗計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)主要是提供計(jì)量和生產(chǎn)成本計(jì)算使用，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高，設(shè)定刷新頻率一般為60 s，通訊中斷閾值設(shè)定為1 000 ms。能夠滿足選煤廠交接班報(bào)表數(shù)據(jù)精度要求。

(3)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊采集數(shù)據(jù)主要為智能照明區(qū)域定位和人員健康數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高，設(shè)定刷新頻率一般為3 s，通訊中斷閾值設(shè)定為1 000 ms。能夠滿足控制程序人來燈亮，人走2 min后燈滅的效果。人員健康數(shù)據(jù)屬于定時(shí)抽檢，因此3 s數(shù)據(jù)采集頻率能夠達(dá)到目標(biāo)效果。

(4)工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)采用的是http接口協(xié)議，受接口方式和機(jī)器人本身服務(wù)端性能限制，數(shù)據(jù)刷新頻率設(shè)定為5 s，通訊中斷閾值設(shè)定為1 000 ms 。采集的工業(yè)機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，屬于應(yīng)用時(shí)定時(shí)觀察，實(shí)時(shí)性相對(duì)較低，該采集頻率能夠滿足集控室操作人員的工作需求。

受選煤廠生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境的影響，有些防爆區(qū)域的樹莓派采集平臺(tái)需要安裝散熱導(dǎo)片，使用散熱硅膠和防爆盒外殼進(jìn)行緊密連接，形成整體散熱，應(yīng)用過程中從未出現(xiàn)過因?yàn)檫^熱損壞或者死機(jī)的情況。各區(qū)域的樹莓派采集平臺(tái)經(jīng)過長時(shí)間各種環(huán)境運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定，工作正常。

數(shù)據(jù)流量方面，由于樹莓派采集平臺(tái)采用了可配置策略的過濾方式，及時(shí)丟棄無效數(shù)據(jù)，使智能化數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理量減少20%。轉(zhuǎn)發(fā)接口方面，將各種復(fù)雜的接口統(tǒng)一為常用的數(shù)據(jù)接口，使得智能化數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)開發(fā)難度、維護(hù)難度大大降低。

5 結(jié) 語

通過此次選煤廠智能化改造工作，能夠切實(shí)體會(huì)到任何系統(tǒng)在技術(shù)層面是沒有絕對(duì)界線的，是不斷重復(fù)著劃分和融合的過程。借助數(shù)據(jù)采集平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行，為智能化選煤廠提供了大量綜合數(shù)據(jù)，保障生產(chǎn)管理層面上進(jìn)行全方位管控，從根本上提高選煤廠設(shè)備運(yùn)行效率，確保選煤廠能夠獲得顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。