基于Dupline總線和Labview的隧道用皮帶機(jī)綜保系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用Dupline總線可以遠(yuǎn)距離傳輸及總線供電的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了隧道用皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)。借助于Labview強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言和豐富的驅(qū)動(dòng)接口，開(kāi)發(fā)了綜保系統(tǒng)的監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，解決了隧道輸送皮帶機(jī)長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸和供電困難的難題。對(duì)Dupline總線模塊的選型、電路設(shè)計(jì)、博途中的GSD文件的安裝和硬件組態(tài)、Opc服務(wù)器的配置以及基于Labview的界面設(shè)計(jì)和編程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：Dupline總線;總線供電;隧道用皮帶機(jī);綜合保護(hù)系統(tǒng);Labview;博途;Opc服務(wù)器

0" "引言

隧道用皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)是確保皮帶機(jī)安全運(yùn)行的必備裝置之一。一般煤礦用皮帶機(jī)有七大保護(hù)項(xiàng)目，包括拉繩（急停）、跑偏、溫度、撕裂、堵塞、速度和煙霧檢測(cè)。其中，溫度和速度多為模擬量值，其他為開(kāi)關(guān)量?？紤]隧道用皮帶機(jī)的出渣含水量大和不燃燒特點(diǎn)，可以取消溫度和煙霧檢測(cè)，由七大保護(hù)減少為五大保護(hù)。

目前，皮帶機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)多數(shù)都是基于CAN/485總線或頻率信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)模质芟抻诠?jié)點(diǎn)數(shù)的總電流限制而不能同時(shí)投入。為遠(yuǎn)距離通訊只能是通過(guò)機(jī)械的方法僅讓被觸發(fā)的節(jié)點(diǎn)（一般為拉繩開(kāi)關(guān)）接入總線，而沒(méi)有觸發(fā)的節(jié)點(diǎn)不得不處于離線的狀態(tài)。這樣就導(dǎo)致同一時(shí)刻若有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)，卻只能檢測(cè)到其中一個(gè)的情況，給監(jiān)控和維修帶來(lái)麻煩。

而Dupline總線是一種現(xiàn)場(chǎng)安裝總線，通過(guò)有效時(shí)分復(fù)用技術(shù)提供長(zhǎng)距離傳輸和超強(qiáng)的抗干擾性。該總線系統(tǒng)能通過(guò)普通的雙絞線傳輸數(shù)字和模擬信號(hào)達(dá)數(shù)公里距離。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括傳感器、數(shù)字I/O模塊、模擬量模塊、可編程邏輯控制器（PLC）、計(jì)算機(jī)和軟件等。安裝的所有傳感器和模塊連接到同一條雙絞線上。此外，Dupline總線模塊作為PLC的遠(yuǎn)程IO，借助于GSD文件和以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊可以輕松與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

Dupline的總線供電技術(shù)和超低功耗（雙通道輸入模塊功耗低至0.45mA），使其在長(zhǎng)距離皮帶綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到很好的應(yīng)用。以每隔100m一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，僅用總線供電（1.5mm2雙絞線）即可實(shí)現(xiàn)3.5km的30個(gè)DI模塊的信號(hào)傳輸。

此外，作為一個(gè)完整的隧道用皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)，還需要把各個(gè)傳感器的狀態(tài)在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并存儲(chǔ)關(guān)鍵的報(bào)警信息到數(shù)據(jù)庫(kù)。Labview作為一款通用的計(jì)算機(jī)編程軟件，以其強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言、圖形控件和豐富的驅(qū)動(dòng)，在工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，借助于Labview內(nèi)置的OPCServer模塊可以實(shí)現(xiàn)PLC與Labview的數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)。

1" "基于Dupline總線的綜保系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1" "Dupline總線模塊和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)介紹

Dupline總線模塊目前主要是瑞士佳樂(lè)（Carlo Gavazzi）公司生產(chǎn)，包括安全模塊和通用模塊兩大類。安全模塊支持IEC61508-SIL3安全等級(jí)，一般僅包括數(shù)字量輸入/輸出和網(wǎng)關(guān)模塊;而通用模塊不僅包括數(shù)字量IO模塊，還包括模擬量IO、溫度檢測(cè)通道發(fā)生器等模塊，可以滿足大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)控制和檢測(cè)的需要。本文以通用型Dupline總線模塊為例進(jìn)行說(shuō)明。事實(shí)上，Dupline總線模塊多數(shù)是以PLC的遠(yuǎn)程IO形式存在的，Dupline網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1中的A表示Profinet總線;B表示通道發(fā)生器，每個(gè)模塊可以帶128個(gè)IO點(diǎn);C表示西門子PLC主站模塊;D表示以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)模塊，可以作為西門子帶PN口PLC的從站，最多可以帶7個(gè)通道發(fā)生器;E是Dupline安全網(wǎng)絡(luò)和安全模塊。

1.2" "綜保系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮隧道用皮帶機(jī)的5大保護(hù)特點(diǎn)，以3.5km隧道用皮帶機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)和說(shuō)明。

在5大保護(hù)中，拉繩、跑偏、撕裂、堵塞為開(kāi)關(guān)量，速度傳感器為模擬量。撕裂保護(hù)開(kāi)關(guān)布置在機(jī)頭、中部、機(jī)尾三個(gè)位置;堵塞保護(hù)開(kāi)關(guān)布置在轉(zhuǎn)載點(diǎn);測(cè)速傳感器布置在機(jī)頭位置。在沿皮帶方向布置拉繩和跑偏開(kāi)關(guān)，隧道一般100m（煤礦習(xí)慣40m）布置一組，包括1個(gè)拉繩和2個(gè)跑偏開(kāi)關(guān)。

根據(jù)以上分析，3.5km長(zhǎng)的連續(xù)皮帶機(jī)需要34個(gè)拉繩開(kāi)關(guān)（1個(gè)/100m）、34個(gè)跑偏開(kāi)關(guān)（1對(duì)/200m）、1個(gè)撕裂開(kāi)關(guān)、1個(gè)堵料開(kāi)關(guān)、1個(gè)測(cè)速傳感器。為節(jié)省總線模塊，跑偏與拉繩串聯(lián)，接入同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，加上1個(gè)撕裂開(kāi)關(guān)，共需要35個(gè)Dupline輸入模塊G32101161;此外，還需要1個(gè)通道發(fā)生器GS33900000800;1個(gè)網(wǎng)關(guān)GS33910060800;一個(gè)終端模塊DT01;手持編碼器1個(gè)。此外，為了與上位機(jī)通訊，還需要1套PLC進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交互。綜保系統(tǒng)布置如圖2所示。

此外，由于長(zhǎng)距離總線供電，需要考慮壓降問(wèn)題。以1.5mm²雙絞線為例進(jìn)行說(shuō)明，直流阻抗12Ω/km，3.5km的阻抗R=12×3×2=72Ω。查官方手冊(cè)知G32101161的最低電流為0.45mA，35個(gè)模塊的總電流I=0.00045×35，有總壓降△U：

△U=IR=12×3×2×0.00045×35=1.134Vlt;2V，符合要求。（說(shuō)明：Dupline總線通訊，要求壓降不低于2V）上述是以所有模塊掛載在電纜終端進(jìn)行壓降計(jì)算的，實(shí)際產(chǎn)生的壓降要小于1.134V。

2" "Dupline總線模塊硬件組態(tài)和地址分配

事實(shí)上，Dupline總線模塊經(jīng)常是作為PLC的遠(yuǎn)程IO使用的。這里選擇西門子1500PLC作為主控制器，博途V15為編程環(huán)境。

首先需要安裝用于Profinet通訊的GSD文件GSDML-V2.31-DUP-NETE-20150120.xml，該文件可以從佳樂(lè)代理商處獲取。安裝完成后，即可進(jìn)行相應(yīng)的硬件組態(tài)和地址配置。硬件組態(tài)與其他第三方的Profinet模塊類似，這里不再贅述。下面重點(diǎn)介紹模塊的地址的分配方法。

以數(shù)字量輸入為例進(jìn)行說(shuō)明，首先需要用手持編碼器進(jìn)行模塊地址的編碼，編碼規(guī)則是一條總線可以從A0-7到P0-P7共128個(gè)點(diǎn)，剛好對(duì)應(yīng)硬件組態(tài)中的16個(gè)字節(jié)的128個(gè)點(diǎn)。編碼表見(jiàn)表1。

例如硬件組態(tài)的16個(gè)字節(jié)地址是100-115，那么就有A1通道的地址為I100.7，B1通道的地址為I101.7，以此類推。由此可見(jiàn)，在硬件配置和地址編碼后，Dupline總線IO模塊與西門子本地模塊使用一樣方便。

此外需要說(shuō)明的是，如果1個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊可以最多帶7個(gè)通道發(fā)生器。需要利用通道發(fā)生器上的DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行編址，地址號(hào)為1-7，且不能重復(fù)。

3" "OPC服務(wù)器的配置與組態(tài)

考慮用Labview2017作為編程環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā);用G語(yǔ)言進(jìn)行編程;Access2013作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù);利用NI OPC Server2016與西門子S7-1500 PLC通訊;控制系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

NI OPC Server2016集成在NI的DSC模塊中，下載安裝即可;安裝完成后進(jìn)行幾步簡(jiǎn)單配置即可實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊，甚至無(wú)需任何編程。圖4為完成后的OPC Server主界面。

在圖4的左上的框中對(duì)硬件進(jìn)行配置，其中最重要的就是設(shè)備屬性的配置，在屬性中可以設(shè)置PLC的型號(hào)和IP地址。在右上框中進(jìn)行IO地址的組態(tài)，只需要保證絕對(duì)地址與PLC中的完全一致即可，當(dāng)然也可以把PLC的地址導(dǎo)出整理后再導(dǎo)入OPC服務(wù)器中。下面的框是OPC的狀態(tài)監(jiān)視框，會(huì)列出OPC運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的重要事件。

在配置完成OPC的硬件組態(tài)和PLC地址后，還需要通過(guò)的Datasocket控件把OPC中組態(tài)好PLC地址與Labview中控件綁定起來(lái)。綁定過(guò)程很簡(jiǎn)單，在需要綁定PLC地址的控件上點(diǎn)擊右鍵打開(kāi)屬性，找到數(shù)據(jù)綁定菜單，選擇DataSocket。

然后在瀏覽中選擇DSTP服務(wù)器菜單，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)OPC服務(wù)器選擇項(xiàng)，在我們已經(jīng)創(chuàng)建好的OPC服務(wù)器中找到對(duì)應(yīng)的PLC的IO地址即可。

4" "監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借助于Labview強(qiáng)大的圖形功能和LabSQL數(shù)據(jù)庫(kù)組件，來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。監(jiān)控界面應(yīng)包括連續(xù)皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)、當(dāng)前報(bào)警和歷史報(bào)警等界面。下面以最重要的連續(xù)皮帶機(jī)監(jiān)控界面為例進(jìn)行說(shuō)明，監(jiān)控主界面如圖5所示。

圖5中不僅可以顯示各個(gè)皮帶機(jī)的位置關(guān)系，還能指示各個(gè)傳感器的位置和狀態(tài)。在調(diào)試階段或無(wú)法及時(shí)更換時(shí)也能夠手動(dòng)屏蔽掉某些傳感器。

為了方便以后查詢和分析，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，Labview結(jié)合Access可以實(shí)現(xiàn)該功能。首先需要安裝Access數(shù)據(jù)庫(kù)和AccessDatabaseEngine，并配置ODBC數(shù)據(jù)源。特別地，如果Labview是32位，一定要配置32位的ODBC數(shù)據(jù)源，否則Labview無(wú)法與Access通訊。在ODBC數(shù)據(jù)源管理器里面選擇系統(tǒng)DSN菜單，添加系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，選擇Microsoft Access Driver。在選擇完成彈出的對(duì)話框中選擇已經(jīng)創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)庫(kù)，并在數(shù)據(jù)源名一欄中給出命名。

配置完成ODBC數(shù)據(jù)源后，還需要對(duì)Labview進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。首先需要安裝Labview的插件LabSQL，安裝完成后在用戶庫(kù)里面可以找到LabSQL ADO。我們需要用到的子VI是ADO Connection Create.vi、ADO Connection Open.vi、SQL Execute.vi和ADO Connection Close.vi。在ADO Connection Open.vi的連接字符串端子寫入“DSN=DSN數(shù)據(jù)源”。需要注意的是，等號(hào)后面的名稱必須與數(shù)據(jù)源名保持一致。Labview數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序如圖6所示。

5" "結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于Dupline總線和Labview的隧道用皮帶機(jī)綜保系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述，從硬件選型到軟件設(shè)計(jì)均有較為全面的分析。但限于篇幅，仍無(wú)法照顧到一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，如未對(duì)較簡(jiǎn)單的PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

此外，該長(zhǎng)距離綜保系統(tǒng)雖可以獨(dú)立運(yùn)行，但與盾構(gòu)/TBM/第三方設(shè)備的通訊也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)PLC的通訊協(xié)議來(lái)選擇合適的Dupline總線網(wǎng)關(guān)。

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