输送机工况数据APP远程监控系统设计

黄良沛 张逸夫 谭 姚 赵延明

(1.湖南科技大学机电工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南 湘潭 411201)

带式输送机自动控制系统是煤矿井下开采中极其重要的一种系统,该系统的应用可提升煤矿生产的高效性和安全性[1]。对于控制系统中的工况数据,只存于作业现场与上位机中。监控终端[2]便携性差。工作人员不在数据所在地便无法观测实时工况数据,不能对系统运行状况及时了解,需到达数据所在地才能观测数据,存在耗时耗力以及疏忽系统安全隐患的问题。

近些年,移动互联网技术迅速发展。工业互联网技术为实现煤矿安全、高效、绿色生产和科学化管理提供了支撑和保障[3],也追求实现数字化矿山[4]与智能矿山建设[5-6]。Yasin KABALCI等[7]针对太阳能植物和灌溉系统通过互联网技术设计具有远程监测和远程控制基础设施。高连月等[8]通过通信网络设计矿山井下主扇风机远程实时监控系统。马宁等[9]实现了多协议矿山自动化通信平台的设计,通过计算机在Web端实现了对整个矿山采集数据的无缝整合,但这些监控系统仍需基于工控机或计算机得以显示监控。APP技术在工业、教育、娱乐等方面得到了广泛的应用[10]。陈庚等[11]开发基于工业APP的远程协同运维系统应用在铝合金轮毂生产线上,解决了找问题难,排除故障慢的问题。将移动APP运用到带式输送机自动控制系统中,通过工业互联网WiFi技术[12],工作人员可以通过APP远程观测控制系统实时数据,实时了解系统运行状态。张洪亮[13]设计了基于煤矿安全监控系统的移动监控平台,通过Spring、SpringMVC、Mybatis技术及框架实现数据的传输。本项目以某煤矿厂的带式输送机自动控制系统为研究对象,基于工业互联网APP技术,研究控制系统中PLC与APP的通讯,实现数据直接从PLC中获取至移动端,构建工业APP的远程监控系统,对带式输送机自动控制系统中的各种工况信息进行远程实时监控。

1 输送机控制系统结构与工况类型

某煤矿厂的输送机系统设有三段输送机,分别为主暗斜井皮带、主斜井皮带和地面皮带。输送带控制系统分为上位机和下位机两大部分,通过以太网实现通讯。上位机采用IFIX开发输送机控制的监控软件。下位机使用PLC控制变频器驱动电机对输送机进行控制。

在控制系统中,工作人员可通过上位机的人机交互界面对输送机进行控制和操作,实现故障显示、复位故障、控制模式切换等操作。控制模式分为手动控制、自动控制、全自动控制。输送机运行参数包括滚筒温度、电机温度、电压、电流、输送机运行速度等通过设计数字式仪表显示出来,便于工作人员集中管理。

带式输送机工作环境极为复杂,现场工况数据除了输送机运行参数外,还有各种故障参数,主要如下:

(1)堆煤量。皮带堆煤现象是由于输送机长期撒料引起的。

(2)跑偏量。本质为皮带中轴线与支架中心不在同一直线上,可能是由于误安装引起,也可能是在皮带运行过程中引起。矿料分布不均匀以及运行时的震动都会引起皮带跑偏。长时间的皮带跑偏会引起皮带撕裂,影响使用寿命,更甚者可能会使皮带支架坍塌。

(3)皮带打滑。输送带正常运转时,带速不低于辊筒转速的95%。如果辊筒与输送带的摩擦力不够,输送带就容易出现打滑的现象。引起辊筒与输送带摩擦力不够的原因很多,常见的有:张力不够、载荷启动、辊筒表面摩擦系数不够等。

(4)皮带撕裂。皮带撕裂是由于皮带运输机长期处于高强度工作状态,致使皮带表面保护胶皮磨损引起的。这样会导致皮带强度下降,皮带拉伸强度得不到保障,最终导致断带或纵向撕裂事故的发生[14]。

2 总体架构设计

系统主要由数据端、服务器端及客户APP端3个部分构成。如图1所示。数据端即为输送带控制系统,运行参数信息如温度、速度、堆煤量、跑偏量、撕裂量等由相应的传感器进行现场采集。传感器将采集检测到的信号通过变送器转换为标准的模拟信号,如:±500 mV,±10 V,4～20 mA,将这些标准模拟信号接到PLC的模拟输入模块上,存于PLC的寄存器中[15]。服务器端通过ModbusTCP协议与PLC进行通讯,接收工况参数信息。APP端通过Socket通信方式,读取服务器端的数据实现远程监测。此外,APP具有用户登陆验证功能,输送机运行状态显示,显示报警等功能。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall system structure

3 关键技术与系统实现

3.1 PLC通信设计

由于传感器将检测数据传于PLC的内部寄存器,需要服务器计算机访问寄存器里的数据内容。PLC控制器通过ModbusTCP协议与服务器端通信,这是最流行、成本低廉、适应于各种工业应用的协议[15]。本控制系统采用施耐德公司的 M340系列PLC,CPU模块采用BMX P34 2020,其 CPU支持Modbus以太网协议通信;通信模块采用BMX NOC 0401,其模块搭载以太网4端口,RJ45通信接口。设置PLC通讯里的以太网IP地址,在PLC通讯模块的以太网端口配置设好的以太网。通过双绞网线与服务器计算机的RJ45接口连接,建立ModbusTCP通信。PLC的内部寄存器的地址会被映射为Modbus地址4000X形式。通信时,服务器通过查找40001地址里的内容就能获得PLC寄存器%MW0内的数据。PLC作为Modbus设备从站,等待服务器端发送请求帧后,PLC给予响应。此通信方式无需对PLC进行程序编写,方法简单高效。

3.2 服务器端设计

采用JAVA语言在Eclipse上编写服务端程序。柳江[16]采用JMatic包通过3964R协议实现与PLC通讯。本系统服务器端通过ModbusTCP协议与PLC进行通讯,作为Modbus主站,服务器需要找到对应PLC并发送请求帧。使用依赖于 modbus4j.jar与commons-lang3-3.0.jar 2个库的Modbus4jUtils类可实现与PLC的Modbus通信。

主要连接程序:

参数:localhost为通讯对象PLC的IP地址;502为端口号;

ModbusMaster master=modbusFactory.createTcp-Master(params,false)采用 ModbusTCP协议进行通信。

对于现场工况环境参数信息由传感器存于PLC的保持寄存器中。对于输送带的启停以及速度反馈信息会存于PLC的输入输出寄存器中。通过以下方法的代码可实现对PLC进行读线圈、读离散输入、读保持寄存器、读输入寄存器。

public static Boolean readCoilStatus(int slaveId,int offset)读线圈方法,slaveId为PLC从站编号,offset为对应PLC从站的数据地址。

public static Boolean readInputStatus(int slaveId,int offset)读离散量输入方法,slaveId为PLC从站编号,offset为对应PLC从站的数据地址。

public static Number readHoldingRegister(int slaveId,int offset,int dataType)读保持寄存器方法,slaveId为PLC从站编号,offset为对应PLC从站的数据地址,dataType为数据类型。

public static Number read InputRegisters(int slaveId,int offset,int dataType)读输入寄存器方法,slaveId为PLC从站编号,offset为对应PLC从站的数据地址,dataType为数据类型。

服务器端程序设计流程如图2所示。

图2 服务器程序设计流程Fig.2 Server programming flow chart

服务器端与客户APP端通过Socket通信。服务器端对不同的工况参数数据配置不同的端口,开启多个线程对不同的工况数据请求进行系统阻塞。客户APP以不同的端口号请求对应的工况信息,服务器对应的线程接收到客户的请求,对PLC存有相应的工况信息的寄存器进行读取,并将数据通过Socket的IO流传至客户APP端。Socket通信模式如图3所示。

图3 Socket通信模式Fig.3 Socket communication mode

3.3 APP程序设计

采用Eclipse搭建安卓应用开发环境,添加ImageView、TextView、Button、相对布局等的控件在安卓项目的xml文件中,并设置控件属性。利用JAVA语言的循环、条件以及逻辑结构编写APP的控件功能属性。

安卓手机APP通过服务器计算机的IP地址向其发送请求,获取各种数据信息,以数字、背景颜色、文字等方式表达。APP显示三段输送机的运行状态,运行时呈现绿色背景的“运行中”字样,未运行时呈现红色背景的“未运行”字样。运行参数显示三段输送机的作业环境温度、输送机运行速度、堆煤量、跑偏量、电流与电压。除运行状态,工况信息显示功能外,APP还具有用户验证、设备信息显示、文字报警等功能。从服务器获取的信息与其各自设定阈值进行比较,判断是否报警。对于某个参数超过安全值,对应的参数控件会呈现红颜色报警,并会弹出警告提示,直至参数恢复安全值。多个APP终端均可同时通过服务器计算机的IP地址与端口号,获取数据参数,实现多个设备数据共享。安卓手机远程监控APP运行结果部分界面如图4所示。手机端获取数据操作简单、响应快,满足对工况远程监控的需求。

图4 APP运行界面Fig.4 APP operation interface

4 结 论

(1)开发安卓监控APP,通过服务器将PLC中的实时工况数据显示手机终端。与其他移动监控平台相比,此系统中无需使用额外的数据库进行存储,也无需对PLC编写通信程序,架构设计简单、方便、高效、易实现。

(2)将手机作为终端,实现了远程监控输送机控制系统的工况数据参数。该系统实现输送机控制系统终端便携性好,随时随地地监控控制系统,实时了解系统运行状态,即时发现安全隐患。此外,该系统还可广泛应用于其他相关的工业生产监测中,具有一定的推广前景。

(3)针对APP的历史数据曲线、历史报警日志及远程启停输送机等功能研发有待深入。