工业远程通讯在智能化矿井提升机上的应用

关键词：工业PLC远程通讯   远程诊断和维护 矿井提升机

Abstract：This paper proposed the application of PLC industrial field bus technology, Internet technology and network communication and Encryption technology,Through Futurelooks 's industrial remote communication system SY-RSCM, Connected the around world mine hoist and equipment manufacturer's technical headquarters to a unified global network of industrial remote support centers. Achieve the full life cycle management of mine hoist equipment, including installation, warning, debug, maintainence, upgrade the whole process of precise control, intelligent diagnostics, real-time monitoring and production of efficient management. This paper analysis the branch information of mine hoist machine, the machine remote analysis requirements, the system design of remote system software and hardware, introduces Futurelooks 's industrial remote communications systems to achieve remote control of the machine process.

Keywords: Industrial PLC remote communication   Remote diagnostics and maintenance  Mine hoist

   矿井提升机是一种安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械，是各种矿山生产过程中的大型关键设备，其任务是用于升降人员和设备、提升矿石以及下放材料等。矿井提升机的工作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行，完成提升或下放任务。因此，矿山提升设备应具有良好的机械特性、先进的控制设备、实时的远程诊断系统和完善的保护装置。它的性能和安全性直接关系到矿工的生命安全，工作过程中一旦发生机械或电气故障，损害设备，影响生产，严重地威胁矿井的安全，甚至造成人身伤亡事故。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于采矿作业的复杂性，环境的恶劣性和设备的可靠性，致使矿井生产中仍有 不少由于提升系统造成的重大人员伤亡和设备损坏事故的发生，因此，矿井提升机素有“矿山咽喉”之称。随着工业控制、机械设计、智能化网络的进步，智能化矿井的建设和对人生命的重视，人们对矿井提升机的生命周期管理、设备预警、安全可靠性、实时的远程诊断和维护提出了更高的要求。

   上世纪60年代至90年代，采用“异步电动机+转子串电阻加速十高压接触器换向+动力制动减速+继电器控制”的控制方式交流单绳缠绕式成为主流的矿井提升设备的电控系统，从80年代开始，发电机-电动机机组传动方式改为直流电动机由直流发电机供电，直流发电机由三相同步电动机拖动，晶闸管变流器模拟电控系统：控制保护部分基本上都采用模拟系统。

   近年来，交流提升机电控系统通过交交变频调速系统 ，全数字直流传动，低压变频调速，高压变频调速系统，加上PLC安全工艺控制的使用越来越多，甚至通过两套PLC构成安全回路双线制，通过现场总线技术，数字化、模块化设计成为了主流设计系统。

下一步，交直交变频传动调速系统将越来越多的被应用到新型的矿井提升设备上，其采用完全相同的整流及逆变功率结构，网侧功率因数基本为1，谐波很小，电机侧电流波形接近正弦波。在控制系统中，不仅仅是控制的节能和平稳性，在安全性方面，通过完善监测保护手段，也会提升可靠性。后备综合保护系统已经成为必备的系统，通过安装工业摄像头进行实时监控，通过增加传感器检测游动滚筒动作情况，实现全自动化运行，远程监控，将信息进行实时的和本地中控、远程控制室进行双向通讯，实现智能化、数字化的矿井监控系统。

   矿井提升机按照提升的原理不同，可分为“缠绕式提升机(mine drum winder)”和“摩擦式提升机(mine friction winder)”两种。

矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机及拖动控制系统、井架、天伦及装载设备等。由于提升容器及提升机的结构和原理不同，矿井提升设备可构成不同提升系统，常见的提升系统有：主井箕斗提升系统、副井箕斗提升系统、多绳摩擦提升系统、斜井串车提升系统、斜井箕斗提升系统。

   矿井提升机的系统并非只是上面所提到的提升机部分，还包括润滑系统、机械传动系统、观测和操纵系统、拖动控制和自动保护系统、制动系统、远程安全监控系统、远程诊断系统等。

1）润滑系统：再提升机运行过程中不间断的给轴承以及齿轮啮合面压送润滑油，保证轴承和齿轮的正常工作。

2）机械转动系统：由减速器和连轴承器组成。减速器用来减速并传递动力；联轴器用来连接提升机的旋转部分，并向其传递动力。

3）观测与操纵系统：包括操作台、深度指示器等装置。其中深度指示器可以显示提升容器的所处的深度位置。

4）拖动控制和自动保护系统：包括主拖动电机和微拖动电机、电器控制系统以及由PLC控制的保护系统。

5）制动系统：一般都是液压制动系统，包括制动器和液压传动装置两部分。制动系统的功能就是使提升机卷筒刹车，停止提升机的运行，它的可靠性直接关系到提升机的安全运行。制动系统不但需要提升机停车时牢固的闸住提升机卷筒，还需要参与提升机的速度控制，保持提升运行的速度不偏离预设的数值，同时在双滚筒提升机中，制动系统还被用来调节钢丝绳的长度。

6）远程安全监控系统：通过采集提升机控制器的数据，实时进行远程动态显示和存储，可以还原历史数据，追溯各种故障分析和汇总记录，也可以结合矿井生产的经验，进行智能化分析和判断，对矿井生产数字化有着相当重要的功能。

7）远程诊断系统：通过和控制器等的远程实时连接，对于故障发生时，从设备制造商发起的实时诊断显得十分的重要，该系统支持。

   目前，在国产矿井提升机控制系统中，PLC主要用于处理开关量，以替代老式提升机控制系统中众多的继电器、接触器、复杂的连线以及信号显示系统，而涉及到提升机安全运行的制动系统中的模拟量和自动调节过程，大多还是通过用半导体器件、运算放大器等可调闸和可控硅动力制动的普通电子模式来处理。使用过程中经常会出现零点漂移、电子元件损坏，并且存在维修及重新调试难、可靠性差等缺点，因而使提升机电控系统的可靠性降低。

现场的信号和控制系统结合成一体，实现矿井提升设备的系统化、智能化。

   远程安全通讯系统，针对现场矿井提升设备，为了达到工程师在远程运行保障中心即可实现到现场的程序实时在线诊断、实时观察现场动作、历史数据实时积累和分析、通过采集的信息进行预警分析等多方面的需求，系统拓扑图设计如下：

现场的提升机设备，可以通过有线宽带或者WIFI无线系统连接到internet网络，也可以是单独通过电信或者联通的3G网络，通过无线上网的方式，连接到远程的运行保障中心。

中大型的运行保障中心的配置举例如下：

序号	内容	型号	数量
1	远程安全通讯模块	SY-RSCM500	1
2	工业电脑	IPC	10
3	服务器-冗余	Server-R	2
4	投影仪、模拟显示屏	HCP-2250、SIMU	2+2
5	计算机房	200平米	1
6	10M宽带	电信光纤	1
7	3G移动通讯设备	SY-3G	2
8	24小时值守工程师	Engineer	10
9	MES&ERP管理软件	MES&ERP	1

现场端如果是通过3G上网，连接的是具有Profinet的西门子的S7-300和Simotion的伺服传动系统，则需要配置如下：

序号	内容	型号	数量
1	远程安全通讯模块	SY-RSCM300	1
2	3G移动通讯设备	SY-3G	1
3	摄像头	SY-CMR	1

   该配置，对于提升机可以同时连接1000台进行实时在线诊断、预警、维护、升级等工作，大化的节省每一次故障或者调试需要团队去现场的大量成本，实现信息化、智能化、网络化，实现数据存储由远端中央服务器执行的云计算化，将传统的工控和IT互联网真正进行工业化和信息化的融合。

   软件设计是矿井提升机远程安全监控系统的另一个重要组成部分，是控制策略和方法应用的载体，系统运行和性能的优劣主要取决于软件设计的应用。

   在该安全通讯系统中，SY-RSCM的软硬件设计，实现了工业协议进行解析、加密和路由、交换、防火墙等功能，通过公网传输的时候，赛远的专用S-link协议，是专用于传输工业数据的一个稳定、安全的私钥协议。在运行保障中心，通过SY-RSCM进行核对和验证，再进行准确的安全的解包，传递给目标对象。

   在运行保障中心，对于现场的设备实现数据采集、控制，数据历史存储，历史曲线等常规的组态软件功能之外，还应该有一套制造执行系统MES，连接工业数据进行分析之后，要传输给制造商的企业资源管理系统ERP，进行数据对接，并未完成数据的系统分析，如预警等功能。该MES软件通常由制造商提出具体需求，再进行具体的分析，进行定制化的服务。

   通过该系统，实现的是针对提升机设备的全生命周期的远程管理：安装、预警、调试、故障诊断、升级。

   赛远的工业远程安全通讯，完全是自主创新的通讯系统，不同于市面上的MODEM拨号、GPRS等低速连接系统，不同于现场需要电脑进行远程桌面的方式，不同于固定IP查找对方的方式，具有如下显著的特点：

ü        工程师实时分钟级的响应，实时运行保障；

ü        全球internet覆盖支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式；

ü        支持各种工业以太网协议，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP；

ü        现场视频和工业数据一起传输；

ü        PLC程序级控制，数据OPC采集；

ü        数据实时双向传输；

ü        架设和配置简单，高效；

ü        新的赛远专利安全通讯技术，数据安全和稳定；

ü       两端均不需要固定IP，数据直接点对点连接，无需经过第三方服务器。

   由于需要在公共的internet网络上传输工业协议，针对原有的工业协议，需要进行协议解析，并在公共网络上进行充分的加密，才可以完成安全的传输。

赛远在公共的网络上采用的是S-link协议，它综合了密码技术和协议安全机制，在IPV4和IPV6环境中，为网络层流量提供验证头（AH）和封装安全载荷（ESP）两种安全服务。AH提供数据完整性和数据认证，ESP提供数据的保密性和加密。AH和ESP的数据封装格式见下图。

   S-link传输协议下的AH、ESP数据封装格式

通过S-link协议，支持了工业现场总线中的Profinet、Ethernet/IP、MODBUS TCP等协议，可以连接西门子、罗克韦尔、施耐德、欧姆龙、三菱等品牌的控制系统和传动系统，实现这些协议在互联网上的安全、稳定的传输。

   基于PLC、上位机、变频器等设备组成的矿井提升设备的控制和传动工业网络系统，很好的满足了矿井提升机的整体联动和智能化的需求。通过赛远的具有新专利工业安全通讯技术的工业远程系统，国内领先的矿井提升机制造商，已经实现了矿井提升机的远程采集与集中监控功能，大大降低了安装、调试、维护、预警成本，并通过该系统建立了矿井提升机设备的全生命周期管理系统，在21世纪，从过去的制造产生利润，转型为设计和服务产生利润，是一个信息化、智能化、网络化、云计算化带来的巨大转变，目前该系统随着矿井提升机的配套，在国内外均运行效果良好。