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摘要：本文應(yīng)用PLC工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和密鑰安全通訊技術(shù)，通過(guò)賽遠(yuǎn)自動(dòng)化的工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)SY-RSCM，將分布在全國(guó)各地的礦井提升機(jī)和設(shè)備制造商的技術(shù)總部，連接為統(tǒng)一的全球工業(yè)遠(yuǎn)程保障中心網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的全生命周期的管理，包括安裝、預(yù)警、調(diào)試、維護(hù)、升級(jí)全過(guò)程的精確控制、智能診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)的高效管理。本文通過(guò)礦井提升設(shè)備的行業(yè)狀況，遠(yuǎn)程診斷和預(yù)警的需求分析，遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，介紹了賽遠(yuǎn)的工業(yè)遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化礦井提升設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控的整個(gè)過(guò)程。
關(guān)鍵詞：工業(yè)PLC遠(yuǎn)程通訊 遠(yuǎn)程診斷和維護(hù) 礦井提升機(jī)
1. 引言
礦井提升機(jī)是一種安裝在地面，借助于鋼絲繩帶動(dòng)提升容器沿井筒或斜坡道運(yùn)行的提升機(jī)械，是各種礦山生產(chǎn)過(guò)程中的大型關(guān)鍵設(shè)備，其任務(wù)是用于升降人員和設(shè)備、提升礦石以及下放材料等。礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn)是在一定的距離內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運(yùn)行，完成提升或下放任務(wù)。因此，礦山提升設(shè)備應(yīng)具有良好的機(jī)械特性、先進(jìn)的控制設(shè)備、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)和完善的保護(hù)裝置。它的性能和安全性直接關(guān)系到礦工的生命安全，工作過(guò)程中一旦發(fā)生機(jī)械或電氣故障，損害設(shè)備，影響生產(chǎn)，嚴(yán)重地威脅礦井的安全，甚至造成人身傷亡事故。雖然礦井提升機(jī)本身有一些保護(hù)措施，但由于采礦作業(yè)的復(fù)雜性，環(huán)境的惡劣性和設(shè)備的可靠性，致使礦井生產(chǎn)中仍有 不少由于提升系統(tǒng)造成的重大人員傷亡和設(shè)備損壞事故的發(fā)生，因此，礦井提升機(jī)素有“礦山咽喉”之稱。隨著工業(yè)控制、機(jī)械設(shè)計(jì)、智能化網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步，智能化礦井的建設(shè)和對(duì)人生命的重視，人們對(duì)礦井提升機(jī)的生命周期管理、設(shè)備預(yù)警、安全可靠性、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)提出了更高的要求。
上世紀(jì)60年代至90年代，采用“異步電動(dòng)機(jī)+轉(zhuǎn)子串電阻加速十高壓接觸器換向+動(dòng)力制動(dòng)減速+繼電器控制”的控制方式交流單繩纏繞式成為主流的礦井提升設(shè)備的電控系統(tǒng)，從80年代開始，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)機(jī)組傳動(dòng)方式改為直流電動(dòng)機(jī)由直流發(fā)電機(jī)供電，直流發(fā)電機(jī)由三相同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，晶閘管變流器模擬電控系統(tǒng)：控制保護(hù)部分基本上都采用模擬系統(tǒng)。
近年來(lái)，交流提升機(jī)電控系統(tǒng)通過(guò)交交變頻調(diào)速系統(tǒng) ，全數(shù)字直流傳動(dòng)，低壓變頻調(diào)速，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，加上PLC安全工藝控制的使用越來(lái)越多，甚至通過(guò)兩套PLC構(gòu)成安全回路雙線制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，數(shù)字化、模塊化設(shè)計(jì)成為了主流設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
下一步，交直交變頻傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)將越來(lái)越多的被應(yīng)用到新型的礦井提升設(shè)備上，其采用完全相同的整流及逆變功率結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)基本為1，諧波很小，電機(jī)側(cè)電流波形接近正弦波。在控制系統(tǒng)中，不僅僅是控制的節(jié)能和平穩(wěn)性，在安全性方面，通過(guò)完善監(jiān)測(cè)保護(hù)手段，也會(huì)提升可靠性。后備綜合保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成為必備的系統(tǒng)，通過(guò)安裝工業(yè)攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)增加傳感器檢測(cè)游動(dòng)滾筒動(dòng)作情況，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)控，將信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的和本地中控、遠(yuǎn)程控制室進(jìn)行雙向通訊，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化的礦井監(jiān)控系統(tǒng)。
2. 礦井提升系統(tǒng)的分類
礦井提升機(jī)按照提升的原理不同，可分為“纏繞式提升機(jī)(mine drum winder)”和“摩擦式提升機(jī)(mine friction winder)”兩種。
礦井提升設(shè)備的主要組成部分是：提升容器、提升鋼絲繩、提升機(jī)及拖動(dòng)控制系統(tǒng)、井架、天倫及裝載設(shè)備等。由于提升容器及提升機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理不同，礦井提升設(shè)備可構(gòu)成不同提升系統(tǒng)，常見的提升系統(tǒng)有：主井箕斗提升系統(tǒng)、副井箕斗提升系統(tǒng)、多繩摩擦提升系統(tǒng)、斜井串車提升系統(tǒng)、斜井箕斗提升系統(tǒng)。
3. 礦井提升機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
礦井提升機(jī)的系統(tǒng)并非只是上面所提到的提升機(jī)部分，還包括潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、觀測(cè)和操縱系統(tǒng)、拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)等。
1）潤(rùn)滑系統(tǒng)：再提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不間斷的給軸承以及齒輪嚙合面壓送潤(rùn)滑油，保證軸承和齒輪的正常工作。
2）機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)：由減速器和連軸承器組成。減速器用來(lái)減速并傳遞動(dòng)力；聯(lián)軸器用來(lái)連接提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，并向其傳遞動(dòng)力。
3）觀測(cè)與操縱系統(tǒng)：包括操作臺(tái)、深度指示器等裝置。其中深度指示器可以顯示提升容器的所處的深度位置。
4）拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)：包括主拖動(dòng)電機(jī)和微拖動(dòng)電機(jī)、電器控制系統(tǒng)以及由PLC控制的保護(hù)系統(tǒng)。
5）制動(dòng)系統(tǒng)：一般都是液壓制動(dòng)系統(tǒng)，包括制動(dòng)器和液壓傳動(dòng)裝置兩部分。制動(dòng)系統(tǒng)的功能就是使提升機(jī)卷筒剎車，停止提升機(jī)的運(yùn)行，它的可靠性直接關(guān)系到提升機(jī)的安全運(yùn)行。制動(dòng)系統(tǒng)不但需要提升機(jī)停車時(shí)牢固的閘住提升機(jī)卷筒，還需要參與提升機(jī)的速度控制，保持提升運(yùn)行的速度不偏離預(yù)設(shè)的數(shù)值，同時(shí)在雙滾筒提升機(jī)中，制動(dòng)系統(tǒng)還被用來(lái)調(diào)節(jié)鋼絲繩的長(zhǎng)度。
6）遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)：通過(guò)采集提升機(jī)控制器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)顯示和存儲(chǔ)，可以還原歷史數(shù)據(jù)，追溯各種故障分析和匯總記錄，也可以結(jié)合礦井生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行智能化分析和判斷，對(duì)礦井生產(chǎn)數(shù)字化有著相當(dāng)重要的功能。
7）遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)：通過(guò)和控制器等的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)連接，對(duì)于故障發(fā)生時(shí)，從設(shè)備制造商發(fā)起的實(shí)時(shí)診斷顯得十分的重要，該系統(tǒng)支持。
4. 礦井提升控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
目前，在國(guó)產(chǎn)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC主要用于處理開關(guān)量，以替代老式提升機(jī)控制系統(tǒng)中眾多的繼電器、接觸器、復(fù)雜的連線以及信號(hào)顯示系統(tǒng)，而涉及到提升機(jī)安全運(yùn)行的制動(dòng)系統(tǒng)中的模擬量和自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程，大多還是通過(guò)用半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器等可調(diào)閘和可控硅動(dòng)力制動(dòng)的普通電子模式來(lái)處理。使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調(diào)試難、可靠性差等缺點(diǎn)，因而使提升機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性降低。
現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)和控制系統(tǒng)結(jié)合成一體，實(shí)現(xiàn)礦井提升設(shè)備的系統(tǒng)化、智能化。
5. 遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦井提升設(shè)備，為了達(dá)到工程師在遠(yuǎn)程運(yùn)行保障中心即可實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場(chǎng)的程序?qū)崟r(shí)在線診斷、實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作、歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)積累和分析、通過(guò)采集的信息進(jìn)行預(yù)警分析等多方面的需求，系統(tǒng)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)如下：
現(xiàn)場(chǎng)的提升機(jī)設(shè)備，可以通過(guò)有線寬帶或者WIFI無(wú)線系統(tǒng)連接到internet網(wǎng)絡(luò)，也可以是單獨(dú)通過(guò)電信或者聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線上網(wǎng)的方式，連接到遠(yuǎn)程的運(yùn)行保障中心。
中大型的運(yùn)行保障中心的配置舉例如下：
現(xiàn)場(chǎng)端如果是通過(guò)3G上網(wǎng)，連接的是具有Profinet的西門子的S7-300和Simotion的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，則需要配置如下：
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序號(hào)
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內(nèi)容
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型號(hào)
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數(shù)量
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1
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遠(yuǎn)程安全通訊模塊
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SY-RSCM300
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1
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2
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3G移動(dòng)通訊設(shè)備
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SY-3G
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1
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3
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攝像頭
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SY-CMR
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1
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該配置，對(duì)于提升機(jī)可以同時(shí)連接1000臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷、預(yù)警、維護(hù)、升級(jí)等工作，最大化的節(jié)省每一次故障或者調(diào)試需要團(tuán)隊(duì)去現(xiàn)場(chǎng)的大量成本，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由遠(yuǎn)端中央服務(wù)器執(zhí)行的云計(jì)算化，將傳統(tǒng)的工控和IT互聯(lián)網(wǎng)真正進(jìn)行工業(yè)化和信息化的完美融合。
6. 安全通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是礦井提升機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分，是控制策略和方法應(yīng)用的載體，系統(tǒng)運(yùn)行和性能的優(yōu)劣主要取決于軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
在該安全通訊系統(tǒng)中，SY-RSCM的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)協(xié)議進(jìn)行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過(guò)公網(wǎng)傳輸?shù)臅r(shí)候，賽遠(yuǎn)的專用S-Link協(xié)議，是專用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個(gè)穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運(yùn)行保障中心，通過(guò)SY-RSCM進(jìn)行核對(duì)和驗(yàn)證，再進(jìn)行準(zhǔn)確的安全的解包，傳遞給目標(biāo)對(duì)象。
在運(yùn)行保障中心，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制，數(shù)據(jù)歷史存儲(chǔ)，歷史曲線等常規(guī)的組態(tài)軟件功能之外，還應(yīng)該有一套制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，連接工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后，要傳輸給制造商的企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，并未完成數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，如預(yù)警等功能。該MES軟件通常由制造商提出具體需求，再進(jìn)行具體的分析，進(jìn)行定制化的服務(wù)。
通過(guò)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的是針對(duì)提升機(jī)設(shè)備的全生命周期的遠(yuǎn)程管理：安裝、預(yù)警、調(diào)試、故障診斷、升級(jí)。
7. 賽遠(yuǎn)遠(yuǎn)程安全通訊系統(tǒng)顯著特點(diǎn)
賽遠(yuǎn)的工業(yè)遠(yuǎn)程安全通訊，完全是自主創(chuàng)新的通訊系統(tǒng)，不同于市面上的MODEM撥號(hào)、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場(chǎng)需要電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程桌面的方式，不同于固定IP查找對(duì)方的方式，具有如下顯著的特點(diǎn)：
· 工程師實(shí)時(shí)分鐘級(jí)的響應(yīng)，實(shí)時(shí)運(yùn)行保障；
· 全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式；
· 支持各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP；
· 現(xiàn)場(chǎng)視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸；
· PLC程序級(jí)控制，數(shù)據(jù)OPC采集；
· 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雙向傳輸；
· 架設(shè)和配置簡(jiǎn)單，高效；
· 最新的賽遠(yuǎn)專利安全通訊技術(shù)，數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定；
· 兩端均不需要固定IP，數(shù)據(jù)直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，無(wú)需經(jīng)過(guò)第三方服務(wù)器。
8. 賽遠(yuǎn)遠(yuǎn)程通訊的安全性
由于需要在公共的internet網(wǎng)絡(luò)上傳輸工業(yè)協(xié)議，針對(duì)原有的工業(yè)協(xié)議，需要進(jìn)行協(xié)議解析，并在公共網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行充分的加密，才可以完成安全的傳輸。
賽遠(yuǎn)在公共的網(wǎng)絡(luò)上采用的是S-link協(xié)議，它綜合了密碼技術(shù)和協(xié)議安全機(jī)制，在IPV4和IPV6環(huán)境中，為網(wǎng)絡(luò)層流量提供驗(yàn)證頭（AH）和封裝安全載荷（ESP）兩種安全服務(wù)。AH提供數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)認(rèn)證，ESP提供數(shù)據(jù)的保密性和加密。AH和ESP的數(shù)據(jù)封裝格式見下圖。
S-link傳輸協(xié)議下的AH、ESP數(shù)據(jù)封裝格式
通過(guò)S-link協(xié)議，支持了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中的Profinet、Ethernet/IP、MODBUS TCP等協(xié)議，可以連接西門子、羅克韋爾、施耐德、歐姆龍、三菱等品牌的控制系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)上的安全、穩(wěn)定的傳輸。
9. 結(jié)束語(yǔ)
基于PLC、上位機(jī)、變頻器等設(shè)備組成的礦井提升設(shè)備的控制和傳動(dòng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很好的滿足了礦井提升機(jī)的整體聯(lián)動(dòng)和智能化的需求。通過(guò)賽遠(yuǎn)的具有最新專利工業(yè)安全通訊技術(shù)的工業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的礦井提升機(jī)制造商，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的遠(yuǎn)程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了安裝、調(diào)試、維護(hù)、預(yù)警成本，并通過(guò)該系統(tǒng)建立了礦井提升機(jī)設(shè)備的全生命周期管理系統(tǒng)，在21世紀(jì)，從過(guò)去的制造產(chǎn)生利潤(rùn)，轉(zhuǎn)型為設(shè)計(jì)和服務(wù)產(chǎn)生利潤(rùn)，是一個(gè)信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算化帶來(lái)的巨大轉(zhuǎn)變，目前該系統(tǒng)隨著礦井提升機(jī)的配套，在國(guó)內(nèi)外均運(yùn)行效果良好。
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