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摘要：本文應用PLC工業(yè)現(xiàn)場總線技術、Internet網絡傳輸技術和密鑰安全通訊技術，通過賽遠自動化的工業(yè)遠程安全通訊系統(tǒng)SY-RSCM，將分布在全國各地的礦井提升機和設備制造商的技術總部，連接為統(tǒng)一的全球工業(yè)遠程保障中心網絡，實現(xiàn)了礦井提升機的全生命周期的管理，包括安裝、預警、調試、維護、升級全過程的精確控制、智能診斷、實時監(jiān)控和生產的高效管理。本文通過礦井提升設備的行業(yè)狀況，遠程診斷和預警的需求分析，遠程安全通訊系統(tǒng)的軟件和硬件設計，介紹了賽遠的工業(yè)遠程通訊系統(tǒng)實現(xiàn)智能化礦井提升設備的遠程監(jiān)控的整個過程。
關鍵詞：工業(yè)PLC遠程通訊 遠程診斷和維護 礦井提升機
1. 引言
礦井提升機是一種安裝在地面，借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的提升機械，是各種礦山生產過程中的大型關鍵設備，其任務是用于升降人員和設備、提升礦石以及下放材料等。礦井提升機的工作特點是在一定的距離內，以較高的速度往復運行，完成提升或下放任務。因此，礦山提升設備應具有良好的機械特性、先進的控制設備、實時的遠程診斷系統(tǒng)和完善的保護裝置。它的性能和安全性直接關系到礦工的生命安全，工作過程中一旦發(fā)生機械或電氣故障，損害設備，影響生產，嚴重地威脅礦井的安全，甚至造成人身傷亡事故。雖然礦井提升機本身有一些保護措施，但由于采礦作業(yè)的復雜性，環(huán)境的惡劣性和設備的可靠性，致使礦井生產中仍有 不少由于提升系統(tǒng)造成的重大人員傷亡和設備損壞事故的發(fā)生，因此，礦井提升機素有“礦山咽喉”之稱。隨著工業(yè)控制、機械設計、智能化網絡的進步，智能化礦井的建設和對人生命的重視，人們對礦井提升機的生命周期管理、設備預警、安全可靠性、實時的遠程診斷和維護提出了更高的要求。
上世紀60年代至90年代，采用“異步電動機+轉子串電阻加速十高壓接觸器換向+動力制動減速+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備的電控系統(tǒng)，從80年代開始，發(fā)電機-電動機機組傳動方式改為直流電動機由直流發(fā)電機供電，直流發(fā)電機由三相同步電動機拖動，晶閘管變流器模擬電控系統(tǒng)：控制保護部分基本上都采用模擬系統(tǒng)。
近年來，交流提升機電控系統(tǒng)通過交交變頻調速系統(tǒng) ，全數(shù)字直流傳動，低壓變頻調速，高壓變頻調速系統(tǒng)，加上PLC安全工藝控制的使用越來越多，甚至通過兩套PLC構成安全回路雙線制，通過現(xiàn)場總線技術，數(shù)字化、模塊化設計成為了主流設計系統(tǒng)。
下一步，交直交變頻傳動調速系統(tǒng)將越來越多的被應用到新型的礦井提升設備上，其采用完全相同的整流及逆變功率結構，網側功率因數(shù)基本為1，諧波很小，電機側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，通過完善監(jiān)測保護手段，也會提升可靠性。后備綜合保護系統(tǒng)已經成為必備的系統(tǒng)，通過安裝工業(yè)攝像頭進行實時監(jiān)控，通過增加傳感器檢測游動滾筒動作情況，實現(xiàn)全自動化運行，遠程監(jiān)控，將信息進行實時的和本地中控、遠程控制室進行雙向通訊，實現(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
礦井提升機按照提升的原理不同，可分為“纏繞式提升機(mine drum winder)”和“摩擦式提升機(mine friction winder)”兩種。
礦井提升設備的主要組成部分是：提升容器、提升鋼絲繩、提升機及拖動控制系統(tǒng)、井架、天倫及裝載設備等。由于提升容器及提升機的結構和原理不同，礦井提升設備可構成不同提升系統(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. 礦井提升機系統(tǒng)的構成
礦井提升機的系統(tǒng)并非只是上面所提到的提升機部分，還包括潤滑系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、觀測和操縱系統(tǒng)、拖動控制和自動保護系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)、遠程診斷系統(tǒng)等。
1）潤滑系統(tǒng)：再提升機運行過程中不間斷的給軸承以及齒輪嚙合面壓送潤滑油，保證軸承和齒輪的正常工作。
2）機械轉動系統(tǒng)：由減速器和連軸承器組成。減速器用來減速并傳遞動力；聯(lián)軸器用來連接提升機的旋轉部分，并向其傳遞動力。
3）觀測與操縱系統(tǒng)：包括操作臺、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）拖動控制和自動保護系統(tǒng)：包括主拖動電機和微拖動電機、電器控制系統(tǒng)以及由PLC控制的保護系統(tǒng)。
5）制動系統(tǒng)：一般都是液壓制動系統(tǒng)，包括制動器和液壓傳動裝置兩部分。制動系統(tǒng)的功能就是使提升機卷筒剎車，停止提升機的運行，它的可靠性直接關系到提升機的安全運行。制動系統(tǒng)不但需要提升機停車時牢固的閘住提升機卷筒，還需要參與提升機的速度控制，保持提升運行的速度不偏離預設的數(shù)值，同時在雙滾筒提升機中，制動系統(tǒng)還被用來調節(jié)鋼絲繩的長度。
6）遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)：通過采集提升機控制器的數(shù)據(jù)，實時進行遠程動態(tài)顯示和存儲，可以還原歷史數(shù)據(jù)，追溯各種故障分析和匯總記錄，也可以結合礦井生產的經驗，進行智能化分析和判斷，對礦井生產數(shù)字化有著相當重要的功能。
7）遠程診斷系統(tǒng)：通過和控制器等的遠程實時連接，對于故障發(fā)生時，從設備制造商發(fā)起的實時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)硬件設計
目前，在國產礦井提升機控制系統(tǒng)中，PLC主要用于處理開關量，以替代老式提升機控制系統(tǒng)中眾多的繼電器、接觸器、復雜的連線以及信號顯示系統(tǒng)，而涉及到提升機安全運行的制動系統(tǒng)中的模擬量和自動調節(jié)過程，大多還是通過用半導體器件、運算放大器等可調閘和可控硅動力制動的普通電子模式來處理。使用過程中經常會出現(xiàn)零點漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調試難、可靠性差等缺點，因而使提升機電控系統(tǒng)的可靠性降低。
現(xiàn)場的信號和控制系統(tǒng)結合成一體，實現(xiàn)礦井提升設備的系統(tǒng)化、智能化。
5. 遠程安全通訊系統(tǒng)硬件設計
遠程安全通訊系統(tǒng)，針對現(xiàn)場礦井提升設備，為了達到工程師在遠程運行保障中心即可實現(xiàn)到現(xiàn)場的程序實時在線診斷、實時觀察現(xiàn)場動作、歷史數(shù)據(jù)實時積累和分析、通過采集的信息進行預警分析等多方面的需求，系統(tǒng)拓撲圖設計如下：
現(xiàn)場的提升機設備，可以通過有線寬帶或者WIFI無線系統(tǒng)連接到internet網絡，也可以是單獨通過電信或者聯(lián)通的3G網絡，通過無線上網的方式，連接到遠程的運行保障中心。
中大型的運行保障中心的配置舉例如下：
現(xiàn)場端如果是通過3G上網，連接的是具有Profinet的西門子的S7-300和Simotion的伺服傳動系統(tǒng)，則需要配置如下：
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序號
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內容
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型號
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數(shù)量
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1
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遠程安全通訊模塊
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SY-RSCM300
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1
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2
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3G移動通訊設備
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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，對于提升機可以同時連接1000臺進行實時在線診斷、預警、維護、升級等工作，最大化的節(jié)省每一次故障或者調試需要團隊去現(xiàn)場的大量成本，實現(xiàn)信息化、智能化、網絡化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲由遠端中央服務器執(zhí)行的云計算化，將傳統(tǒng)的工控和IT互聯(lián)網真正進行工業(yè)化和信息化的完美融合。
6. 安全通訊系統(tǒng)軟件設計
軟件設計是礦井提升機遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的另一個重要組成部分，是控制策略和方法應用的載體，系統(tǒng)運行和性能的優(yōu)劣主要取決于軟件設計的應用。
在該安全通訊系統(tǒng)中，SY-RSCM的軟硬件設計，實現(xiàn)了工業(yè)協(xié)議進行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過公網傳輸?shù)臅r候，賽遠的專用S-Link協(xié)議，是專用于傳輸工業(yè)數(shù)據(jù)的一個穩(wěn)定、安全的私鑰協(xié)議。在運行保障中心，通過SY-RSCM進行核對和驗證，再進行準確的安全的解包，傳遞給目標對象。
在運行保障中心，對于現(xiàn)場的設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制，數(shù)據(jù)歷史存儲，歷史曲線等常規(guī)的組態(tài)軟件功能之外，還應該有一套制造執(zhí)行系統(tǒng)MES，連接工業(yè)數(shù)據(jù)進行分析之后，要傳輸給制造商的企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP，進行數(shù)據(jù)對接，并未完成數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，如預警等功能。該MES軟件通常由制造商提出具體需求，再進行具體的分析，進行定制化的服務。
通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)的是針對提升機設備的全生命周期的遠程管理：安裝、預警、調試、故障診斷、升級。
7. 賽遠遠程安全通訊系統(tǒng)顯著特點
賽遠的工業(yè)遠程安全通訊，完全是自主創(chuàng)新的通訊系統(tǒng)，不同于市面上的MODEM撥號、GPRS等低速連接系統(tǒng)，不同于現(xiàn)場需要電腦進行遠程桌面的方式，不同于固定IP查找對方的方式，具有如下顯著的特點：
· 工程師實時分鐘級的響應，實時運行保障；
· 全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式；
· 支持各種工業(yè)以太網協(xié)議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP；
· 現(xiàn)場視頻和工業(yè)數(shù)據(jù)一起傳輸；
· PLC程序級控制，數(shù)據(jù)OPC采集；
· 數(shù)據(jù)實時雙向傳輸；
· 架設和配置簡單，高效；
· 最新的賽遠專利安全通訊技術，數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定；
· 兩端均不需要固定IP，數(shù)據(jù)直接點對點連接，無需經過第三方服務器。
8. 賽遠遠程通訊的安全性
由于需要在公共的internet網絡上傳輸工業(yè)協(xié)議，針對原有的工業(yè)協(xié)議，需要進行協(xié)議解析，并在公共網絡上進行充分的加密，才可以完成安全的傳輸。
賽遠在公共的網絡上采用的是S-link協(xié)議，它綜合了密碼技術和協(xié)議安全機制，在IPV4和IPV6環(huán)境中，為網絡層流量提供驗證頭（AH）和封裝安全載荷（ESP）兩種安全服務。AH提供數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)認證，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S-link協(xié)議，支持了工業(yè)現(xiàn)場總線中的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)和傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)這些協(xié)議在互聯(lián)網上的安全、穩(wěn)定的傳輸。
9. 結束語
基于PLC、上位機、變頻器等設備組成的礦井提升設備的控制和傳動工業(yè)網絡系統(tǒng)，很好的滿足了礦井提升機的整體聯(lián)動和智能化的需求。通過賽遠的具有最新專利工業(yè)安全通訊技術的工業(yè)遠程系統(tǒng)，國內領先的礦井提升機制造商，已經實現(xiàn)了礦井提升機的遠程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了安裝、調試、維護、預警成本，并通過該系統(tǒng)建立了礦井提升機設備的全生命周期管理系統(tǒng)，在21世紀，從過去的制造產生利潤，轉型為設計和服務產生利潤，是一個信息化、智能化、網絡化、云計算化帶來的巨大轉變，目前該系統(tǒng)隨著礦井提升機的配套，在國內外均運行效果良好。
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