基于西門子PLC帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的設計

劉楊斌，馬艷梅

(淮南職業(yè)技術學院， 安徽 淮南 232001)

近年來，隨著煤礦智能化程度的不斷提升，帶式輸送機也得到了越發(fā)廣泛地應用，它利用摩擦驅動的原理，完成一系列連續(xù)動作，從而達到運輸的目的。在其運行過程中經常出現一些故障,如打滑、煙霧、堆煤、超溫、跑偏等，在一定程度上影響了煤礦的安全生產。為了避免發(fā)生上述故障，帶式輸送機智能控制系統(tǒng)孕育而生。它不僅可以實時監(jiān)控皮帶機的運行狀態(tài)，還能在系統(tǒng)出現故障時進行實時報警，并執(zhí)行相應的動作，從而實現對皮帶機的保護。帶式輸送機智能控制系統(tǒng)的應用，使皮帶機有了可靠的保護[1]。帶式輸送機智能控制系統(tǒng)具體功能如下：第一，具有一系列保護功能，如堆煤保護、跑偏保護、張緊力保護、溫度保護、 速度保護、煙霧保護、緊急停車和撕裂保護等；第二，具有在上位機觸摸屏上實時顯示故障信息，并在故障出現時及時進行相關報警；第三，引入信息融合處理，整合帶式輸送機智能控制系統(tǒng)中各傳感器收集到的信息，通過控制核心CPU進行綜合處理，消除冗余與矛盾的信息，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；第四，具有將故障信息保存到U盤或打印報表，方便用戶查詢和管理。為了滿足以上的新要求，設計了一種基于西門子S7-1215C CPU智能分站控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機、下位機以及上下位機之間的TCP/IP以太網通信三部分組成。該系統(tǒng)可實現對帶式輸送機運行狀況進行實時監(jiān)測監(jiān)控，能及時發(fā)現系統(tǒng)故障，并爭對相關故障進行快速、準確地處理，從而確保帶式輸送機智能控制系統(tǒng)安全、高效、可靠地運行。

1 下位機的設計

1.1 S7-1215C PLC介紹

下位機采用西門子S7-1215C PLC作為控制核心，該類型PLC具有較高的性能價格比，用于工業(yè)控制領域，主要有如下特點：第一，編程簡單，可現場修改和調試程序；第二，維護方便，采用可插入式模塊結構；第三，可靠性高；第四，相對于傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，顯得小巧、靈活；第五，強大的通信功能，便于和外部通信；第六，成本較繼電器控制系統(tǒng)有很大優(yōu)勢；第七，豐富的外部接口便于系統(tǒng)擴展。該PLC提供集成的PROFINET接口，可用于編程軟件SETP7通信，增強了CPU與外部的通訊能力。此外CPU還通過開放的TCP/IP以太網協議與第三方設備通信，數據通信傳輸速率可達100Mbit/s，實現快速、簡單、靈活的工業(yè)通信。另外，CPU自帶14個數字量輸入端口和10個數字量輸出端口，以及2路模擬量輸入和2路模擬量輸出。并且擴展機架最大可擴展7個模塊，在很大程度上提升了CPU的系統(tǒng)處理能力。根據系統(tǒng)實際需要，配置6ES7 234-4HE32-0XB0(4路模擬量輸入、2路模擬量輸出)和6ES7 232-4HB32-0XB0(2路模擬量輸出模塊)模塊，CPU可結合各模塊更好地對系統(tǒng)進行控制和處理[2]。

1.2 下位機工作原理

下位機硬件電路框圖如圖1所示。S7-1215C PLC智能控制單元擴展模塊有開關量、模擬量輸入，可將速度傳感器、堆煤傳感器、跑偏傳感器、煙霧傳感器等傳感器信號接入6ES7 234-4HE32-0XB0模塊，控制核心S7-1215C PLC對采集過來的模擬量輸入信號進行運算處理，對各傳感器信號進行融合處理，及時高效進行測量與控制，從而實現對智能控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測監(jiān)控。當檢測到系統(tǒng)有故障出現時，S7-1215C PLC通過數字量輸出模塊輸出控制信號，驅動繼電器，作出一系列相應處理，同時可在MCGS觸摸屏上顯示相關報警信息以及系統(tǒng)運行數據，便于用戶進行查看，有助于用戶及時了解系統(tǒng)運行狀況。

圖1 下位機硬件電路框圖

1.3 信息融合概念

信息融合實質為數據融合，分為傳感器信息融合以及多傳感器信息融合。它是一種信息處理過程，主要通過計算機處理技術，按照一定的準則對由若干傳感器檢測到的信息進行分析、處理，從而完成相應的決策和任務。由此可見，信息融合的核心是協調優(yōu)化和綜合處理，硬件基礎是多傳感器系統(tǒng)，處理對象是多源信息。

1.3.1 對信息融合的理解

一是系統(tǒng)運行時，為尋求對控制對象狀態(tài)的精確判定，對信息和數據進行多方面的分析和處理，如檢測、關聯、相關以及估計等；二是對由傳感器探測的各類信息，通過計算機處理技術進行分析和綜合處理后，得到預期的合成信息。

1.3.2 信息融合技術

第一，數據融合理論方法研究；第二，多探測器不完全測量數據融合的算法研究；第三，專家系統(tǒng)在數據融合中的應用技術；第四，目標自動識別方法研究；第五，并行處理技術在數據融合中應用研究；第六，數據融合中一系列技術的研究，如信息的采集、分析和資源保護安全技術等。

1.3.3 數據處理系統(tǒng)引入信息融合技術的優(yōu)點

第一，提供穩(wěn)定的工作性能。系統(tǒng)中各傳感器在工作時彼此獨立，互不干擾，若系統(tǒng)中任一傳感器因自身原因不能正常工作或因受到外界干擾而檢測不到外部信號時，并不會對系統(tǒng)中其他傳感器正常工作造成影響。第二，提高空間分辨力。系統(tǒng)主要采用幾何方法形成一個傳感器孔徑，這樣系統(tǒng)中多傳感器在工作時，可獲得相比于任何單一傳感器更高的分辨力。第三，獲得更準確的目標信息。系統(tǒng)通過改進檢測性能，從而提高了系統(tǒng)的精準度和可信度。主要通過以下方式：一是減少關于目標或事件的假設集合；二是對各個獨立測量結果進行有效綜合，如對同一檢測對象的多次測量或多個不同傳感器的獨立測量進行有效綜合。

1.3.4 獲得單個傳感器不能獲得的目標信息

多傳感系統(tǒng)以其自身所固有的冗余度，這對系統(tǒng)工作時的可靠性和容錯性有很大程度地提高。主要體現在以下兩個方面：一是傳感器之間的頻率互補性可以擴大空間、時間的覆蓋范圍；二是增加了測量空間的維數，減少外界環(huán)境下各因素產生干擾，從而避免在系統(tǒng)工作時造成檢測盲點。

1.4 信息融合處理

本控制系統(tǒng)是一個由多傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)需對其包含的各類傳感器進行實時監(jiān)測。由于各類傳感器反饋信息種類多樣，并且具有信息量大、各信息之間關系復雜的特點；同時為確保系統(tǒng)的高可靠性，對傳感器的檢測需要確保高效準確。鑒于此本系統(tǒng)引入信息融合處理，對各類傳感器反饋信息進行內部整合，協調各信息之間的關系，實現高效、精準地提取各類傳感器信息，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高可靠性。本控制系統(tǒng)信息融合結構模型如圖2所示。將各類傳感器分成三組，第一組為速度、煤位和跑偏；第二組為溫度、煙霧和粉塵；第三組為急停、撕裂和張緊力。信息融合大致分為以下三個步驟，第一，預處理各類傳感器監(jiān)測的數據，完成后進行信息融合；第二，將同一組傳感器反饋進行信息融合；第三對整個系統(tǒng)傳感器反饋信息融合。

圖2 信息融合結構模型

本系統(tǒng)以第二組為例，對粉塵、煙霧和溫度進行監(jiān)測，主要實現兩種控制，分別為灑水電磁閥控制和停車控制。灑水控制系統(tǒng)有正常、灑水和停車灑水三種結果。下圖為灑水控制中有無信息融合的比較，其中，圖3為直接根據各傳感器的反饋信息進行控制；圖4為根據三類傳感器的反饋信息經信息融合后做出決策。由圖3、圖4可以了解，通過信息融合綜合分析各傳感器的反饋信息，通過優(yōu)化準則組合各傳感器的互補及冗余信息，最后做出是否灑水的決策，使一些相關狀態(tài)只需經灑水處理便可以達到正常，而不需要進行停車控制，從而提升系統(tǒng)的可靠性和精確度。

圖3 傳感器直接反饋控制

圖4 傳感器反饋經信息融合控制

2 上位機的設計

2.1 上位機的主要功能概述

本系統(tǒng)的上位機采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC1061TD進行上位組態(tài)軟件的設計。MCGS TPC1061TD觸摸屏是一款高性能嵌入式一體化觸摸屏，具有組態(tài)功能強，畫面效果良好等特點。它是一種有著高性價比的HMI人機界面，采用先進的Cortex-A8 CPU為核心(主頻300MHz)，觸摸屏利用網線即可建立與S7-1215C CPU之間的以太網通信連接，通訊傳輸速率快且穩(wěn)定可靠。用戶通過觸摸屏界面能更方便快捷地與應用程序進行數據交互。MCGS TPC1061TD觸摸屏具有以下特點：第一，支持USB設備，比如U盤、USB鼠標、USB鍵盤、USB打印機等；第二，支持多種通訊協議，如串口、以太網等，可連接不同協議的設備，大大提升了應用的靈活性；第三，支持歷史數據記錄、歷史故障報警等，同時可將信息保存到U盤或SD卡，并且可以轉換為Excel文件，更加方便用戶對數據信息的監(jiān)測；第四，強大的圖像顯示和數據處理能力，為控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行提供了有力保障。

2.2 上位機工作原理

本系統(tǒng)上位機采用昆侖通態(tài)觸摸屏MCGS TPC1061TD作為友好人機界面，實現了與S7-1215C PLC的以太網通信。本系統(tǒng)中，利用S7-1215C PLC智能單元對各數據進行實時采集處理及控制，同時與上位機進行數據的實時傳輸，上位機可實時顯示智能控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)及相關數據信息，并根據系統(tǒng)不同的運行狀態(tài)作出相應的處理，從而確保智能控制系統(tǒng)安全可靠地運行。

2.3 上位機的調試

2.3.1 初始畫面

系統(tǒng)開機后，首先進入系統(tǒng)運行初始畫面，如圖5所示。點擊“登錄”按鈕，會彈出系統(tǒng)登錄界面，如圖6所示。正確輸入用戶名和登錄密碼后，將進入系統(tǒng)運行主畫面。若用戶名或密碼不正確，將無法進入系統(tǒng)運行主界面。

圖5 系統(tǒng)初始畫面

圖6 系統(tǒng)登錄界面

2.3.2 主畫面

初始畫面正確輸入用戶名和登錄密碼后，可進入系統(tǒng)主畫面，如圖7所示。在主畫面上可顯示帶式輸送機實時速度、溫度、張力等值，并可顯示帶式輸送機當前的工作狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)主畫面

2.3.3 報警畫面

主畫面上點擊“報警信息”按鈕，可進入報警畫面，如圖8所示。當S7-1215C CPU檢測到系統(tǒng)故障時，可在報警畫面顯示實時的故障信息，便于用戶及時了解帶式輸送機故障信息并進行相應的處理，同時可設置相應時間段，查詢系統(tǒng)歷史報警信息，更加方便高效的完成用戶對系統(tǒng)的管理和維護。

圖8 報警畫面

3 上下位機之間的通信

本系統(tǒng)上位機觸摸屏與下位機S7-1215C CPU之間通過PROFINET以太網實現數據通信，通信速率可達100 Mbit/s，實現高速、高可靠性數據交互[3]。

3.1 PROFINET以太網簡介

PROFINET以太網作為一項戰(zhàn)略性的技術創(chuàng)新，是一種基于工業(yè)以太網技術新一代自動化總線標準，它由PROFIBUS國際組織推出，具有很大的優(yōu)越性，能完全兼容工業(yè)以太網和現有的現場總線技術。PROFINET應用領域也非常廣泛，如在運動控制領域、實時以太網控制以及分布式自動化等領域都有著PROFINET的身影，以其自身的特點為自動化控制領域提供一套完整的解決方案。隨著工業(yè)控制智能化的不斷發(fā)展，現場設備智能化程度也在不斷提高，自動化控制系統(tǒng)正由分散式向分布式自動化逐步轉變，這使得各系統(tǒng)的分散程度也越來越高。為控制各系統(tǒng)之間協同工作，在各系統(tǒng)之間引入PROFINET以太網，將各系統(tǒng)連接到統(tǒng)一網絡中，便于系統(tǒng)間數據、圖像等信息的交互。同時通過專用圖形化組態(tài)軟件實現各組件間的通訊配置，簡化了系統(tǒng)的配置及調試過程，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率。根據不同的時間響應，PROFINET以太網支持下列三種通訊方式。一是TCP/IP標準通訊。PROFINET使用的是TCP/IP和IT標準，是一種基于工業(yè)以太網的網絡技術。其響應時間是ms量級，此響應量級不算太快，但對于工業(yè)自動化控制領域來說，此響應量級足以滿足系統(tǒng)控制要求。二是實時(RT)通訊。PROFINET具有優(yōu)越的實時性能，在這一點上已經超過了現場總線系統(tǒng)。對于基于TCP/IP的工業(yè)以太網技術來說，在進行數據包通信時，對響應時間有著相對較高的要求?；诖?，PROFINET通過提供一個優(yōu)化的、基于以太網第二層(Layer 2)的實時通訊通道，通過該實時通道，極大地減少了數據在通訊棧中的處理時間。三是同步實時(IRT)通訊。在現場自動控制系統(tǒng)中，尤其在運動控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)有高效的響應性，這就對通訊實時性有著較高的要求?；诖耍谶\動控制系統(tǒng)中引入PROFINET的同步實時技術，以滿足運動控制系統(tǒng)高速通訊的需求，確保在100個節(jié)點以下時，系統(tǒng)響應時間和抖動誤差分別在1 ms以下以及在1 μs以下，從而確保運動控制系統(tǒng)及時、準確、高效地響應?；赑ROFINET以太網通信的一些特點以及自身的優(yōu)越性能，本系統(tǒng)采用PROFINET以太網實現上位機觸摸屏與下位機PLC之間的通信。

3.2 上下位機之間通信實現

用網線實現下位機1215C PLC 與MCGS觸摸屏之間的通信連接，具體設置如下圖 9 所示。遠端(電腦)IP地址要和本地(觸摸屏)IP地址設置為同一網段(子網掩碼相同，IP 地址前三位相同，最后一位不同)。上位機完成畫面程序編制，且上下位機之間以太網通訊建立好之后，可進入上位機程序下載畫面，如圖10所示。上下位機之間網絡連接方式選擇為TCP/IP網絡，目標機名為觸摸屏IP地址，可點擊“通訊測試”，測試上下位機之間的通訊連接是否正常。設置好之后，點擊“工程下載”，可將上位機畫面程序下載至觸摸屏中。

圖9 上下位機網絡通信設置

圖10 上位機程序下載畫面

4 結語

本系統(tǒng)為智能分站控制系統(tǒng)，集監(jiān)測、控制和管理為一體，采用TCP/IP以太網通信方式，實現上下位機之間的通信，確保了通信的高效和高可靠性[4]；引入信息融合概念對傳感器進行管理，實時高效地對傳感器采集的信號進行處理，極大地提高了系統(tǒng)的控制精度。S7-1215C PLC完成數據處理和控制任務，同時將數據通過以太網實時傳輸給上位機；上位機則將這些數據實時顯示并可打印報表輸出，更加方便用戶對系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。結果表明，本系統(tǒng)的設計順應了煤礦井下機電智能化的發(fā)展方向，具有很好的應用前景。