康永玲

（中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

隨著采掘設(shè)備智能化水平的不斷提高，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，用戶對(duì)采掘設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求越來越高。用戶既希望監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠實(shí)時(shí)、界面友好、操作簡單，又要求開發(fā)周期短、系統(tǒng)便于升級(jí)改造[1]。為能實(shí)現(xiàn)用戶的要求并保證采掘設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種以Beckhoff控制器為核心控制器，并利用軟件組態(tài)王6.53作為遠(yuǎn)程顯示界面的二次開發(fā)平臺(tái)的采掘設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中以掘進(jìn)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。Beckhoff嵌入式PC是一個(gè)用單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的控制器。組態(tài)王6.53是一個(gè)專為工控開發(fā)的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，具有與Windows一致的圖形化操作顯示界面，便于生產(chǎn)的組織和管理。掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)了掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)及工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還能夠存儲(chǔ)和查詢掘進(jìn)機(jī)的歷史故障參數(shù)等，用戶根據(jù)組態(tài)界面的提示大大縮短設(shè)備故障的處理時(shí)間，提高了掘進(jìn)機(jī)的工作效率。

1 系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Beckhoff控制器、嵌入式工控機(jī)及顯示屏、本安鍵盤、數(shù)據(jù)采集器和各類型傳感器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。Beckhoff控制器位于主電氣控制箱內(nèi)，安裝在整機(jī)左后側(cè)；數(shù)據(jù)采集器為本質(zhì)安全型，安裝在駕駛席前方；嵌入式工控機(jī)及顯示屏為隔爆兼本安顯示箱，安裝在駕駛席前方。嵌入式工控機(jī)配置有本安鍵盤，鍵盤安裝在駕駛席座椅靠背的右側(cè)。通過鍵盤上的←和→鍵可以切換顯示界面。掘進(jìn)機(jī)操作人員可以通過監(jiān)測(cè)主機(jī)查看掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的各類工作參數(shù)和狀態(tài)以及歷史故障。嵌入式工控機(jī)包含三個(gè)顯示界面，分別為：主界面、故障狀態(tài)顯示界面和工作參數(shù)顯示界面，系統(tǒng)默認(rèn)顯示主界面。

圖1 掘進(jìn)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2硬件結(jié)構(gòu)及功能

主電氣控制箱內(nèi)選用Beckhoff嵌入式PC控制器作為主控器，它是用單個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)PLC、運(yùn)動(dòng)控制和可視化任務(wù)的嵌入式控制器。它采用Windows CE 6.0獨(dú)立的操作系統(tǒng)，含有10/100Mbit/s以太網(wǎng)接口、USB接口以及DB9針接口，且集中了工業(yè)PC和傳統(tǒng)的PLC優(yōu)勢(shì)，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，價(jià)格合理，同時(shí)有豐富的通訊接口、體積小、拆裝方便、可無限擴(kuò)展、操作簡單和通訊響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，并可通過豐富的系統(tǒng)接口加以擴(kuò)展，用于 ProfiBus、CANopen、DeviceNet等的現(xiàn)場(chǎng)總線接口擴(kuò)充了可選模塊的種類。掘進(jìn)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用CX8050控制器，擴(kuò)展了I/O模塊，RS485及RS232模塊以及CAN通信擴(kuò)展模塊。CX8050有兩路供電，一路是為PLC控制器本身供電，為直流24 V；另一路是為I/O模塊供電，為直流24 V.PLC和擴(kuò)展模塊采用單獨(dú)供電，使電氣系統(tǒng)分開，同時(shí)為故障檢查提供方便。主控制器和擴(kuò)展模塊采用“插拔”式方式連接。主控制器的外觀如圖2所示。

圖2 Beckhoff控制器外觀

主電氣控制箱內(nèi)AC127 V電源由電控箱內(nèi)多抽頭變壓器二次側(cè)直接引出，經(jīng)C65N斷路器及繼電器供電給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示箱及數(shù)據(jù)采集器。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為隔爆兼本安型顯示箱，負(fù)責(zé)采集主電氣控制箱內(nèi)控制器運(yùn)算好的傳感器信號(hào)，經(jīng)嵌入式工控機(jī)運(yùn)用組態(tài)王軟件進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前各類工作參數(shù)和狀態(tài)以及歷史故障的顯示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示箱內(nèi)部主要有AC127 V/DC12 V電源、嵌入式工控機(jī)及液晶顯示屏。嵌入式工控機(jī)的DC12 V電源由位于該顯示箱內(nèi)部的AC127 V/DC12 V電源供電，與液晶顯示屏通過HDMI接口連接，與位于主電氣控制箱內(nèi)的主控制器采用以太網(wǎng)通訊。

數(shù)據(jù)采集器為本質(zhì)安全型，負(fù)責(zé)采集外部本安傳感器的信號(hào)，將外部信號(hào)傳輸給主控制器。數(shù)據(jù)采集器的本安12 V電源由位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示箱內(nèi)部的本安AC127 V/DC12 V電源供電，與位于主電氣控制箱內(nèi)的主控制器采用以CAN通訊。

本安鍵盤與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示箱采用本安信號(hào)連接，用戶可通過鍵盤上的←和→鍵切換監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面、故障狀態(tài)顯示界面和工作參數(shù)等顯示界面。

1.3軟件結(jié)構(gòu)

1.3.1 TwinCAT軟件的應(yīng)用

Beckhoff作為主控制器有豐富的軟件平臺(tái)，支持用戶編程編譯的TwinCAT PLC軟件，該軟件是在CoDeSys平臺(tái)上的應(yīng)用，它可以提供通用的庫函數(shù)極大的縮短開發(fā)時(shí)間，更快更好的建立穩(wěn)定的通訊，并有組態(tài)軟件TwinCAT System Manager，可以配置其它現(xiàn)場(chǎng)總線接口的通訊參數(shù)。用戶在TwinCAT PLC軟件下定義并解析PDO發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)，編寫代碼，為組態(tài)軟件生成TPY文件，再進(jìn)行總線通訊系統(tǒng)的組網(wǎng)優(yōu)化配置。

1.3.2組態(tài)王的應(yīng)用

組態(tài)王軟件是用于嵌入式工控機(jī)等上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的一種智能化軟件，操作簡便直觀。它使采用PC機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)工程比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，并可運(yùn)用PC機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開發(fā)[2]，具有開發(fā)簡單、擴(kuò)展性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分。數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系Beckhoff控制器與嵌入式工控機(jī)的橋梁。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)既要求掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前在線的工作狀態(tài)及I/O變量參數(shù)實(shí)時(shí)反應(yīng)到嵌入式工控機(jī)界面上，又要把采集的參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給掘進(jìn)機(jī)主控制器，這些全部都是建立在數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。而變量的基本類型共有兩類：內(nèi)存變量、I/O變量。在工程管理器中，選擇“數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)詞典”。根據(jù)控制要求定義I/O數(shù)據(jù)變量，I/O變量是指可與外部數(shù)據(jù)采集程序直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的變量，這種數(shù)據(jù)交換是雙向的、動(dòng)態(tài)的，組態(tài)王定義需要采集的上位機(jī)變量以及下位機(jī)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.3.3 Beckhoff主控制器與嵌入式工控機(jī)通訊連接

組態(tài)王完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶——服務(wù)器模式，可運(yùn)行在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了在不同硬件體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信的能力。該系統(tǒng)中Beckhoff控制器與嵌入式工控機(jī)采用以太網(wǎng)通訊連接，組態(tài)王驅(qū)動(dòng)程序使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員只需要在組態(tài)王的設(shè)備庫中選擇設(shè)備的類型，然后按照“設(shè)備配置向?qū)А钡奶崾疽徊讲酵瓿砂惭b即可，使驅(qū)動(dòng)程序的配置更加方便，主控制器與嵌入式工控機(jī)利用組態(tài)王連接的設(shè)備配置如圖3所示。

圖3 設(shè)備配置

2 界面顯示

嵌入式工控機(jī)利用組態(tài)王提供的豐富的繪圖工具以及圖庫提供的模型，加上程序設(shè)計(jì)的配合，可以使監(jiān)控畫面很好的模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，同時(shí)把需要監(jiān)控的變量顯示在畫面上。

嵌入式工控機(jī)包含三個(gè)顯示界面，分別為：主界面、工作參數(shù)顯示界面和故障狀態(tài)顯示界面，系統(tǒng)默認(rèn)顯示主界面。三個(gè)界面需要通過外接的本安鍵盤的←和→鍵進(jìn)行切換顯示。主界面實(shí)時(shí)顯示采掘設(shè)備主回路電機(jī)的電流、工作時(shí)間及各液壓機(jī)構(gòu)的壓力狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)現(xiàn)有的采掘設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)一目了然，主界面如圖4所示。

圖4 嵌入式工控機(jī)主界面

工作參數(shù)顯示界面顯示當(dāng)前采掘設(shè)備整機(jī)的工作參數(shù)即模擬量及開關(guān)量的狀態(tài)參數(shù)，故障狀態(tài)顯示界面顯示在有故障情況下的控制器所有開關(guān)量的故障狀態(tài)，開關(guān)量I/O點(diǎn)的狀態(tài)指示燈綠色代表接通，紅色代表斷開。顯示界面如圖5所示。

圖5 工作參數(shù)顯示和故障狀態(tài)顯示界面

3 結(jié)束語

以Beckhoff控制器、組態(tài)王作為上位機(jī)組態(tài)軟件的采掘設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)采掘設(shè)備整機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)采掘設(shè)備運(yùn)行中的大量的實(shí)時(shí)信息，使得復(fù)雜的系統(tǒng)顯得更加直觀和便于理解。該系統(tǒng)優(yōu)化了電氣系統(tǒng)的性能，使操作和設(shè)計(jì)更加人性化，減輕使用者的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使其更適合用戶的操作需求，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，提升采掘設(shè)備的市場(chǎng)競爭力?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該采掘設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用性能穩(wěn)定可靠、反響良好。

參考文獻(xiàn)：

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