基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟帥 仲梁維 陳彩鳳

摘要：針對(duì)我國(guó)礦山破碎機(jī)自動(dòng)化程度差、工作效率低、安全隱患大等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的破碎機(jī)智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。利用PLC作為破碎機(jī)控制前端的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的輸出；利用無(wú)線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)組態(tài)軟件InTouch，通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的狀態(tài)信息。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)了對(duì)破碎機(jī)的信息采集和遠(yuǎn)程調(diào)控，提高了破碎機(jī)的可視化操作性能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，為設(shè)備安全運(yùn)行和企業(yè)管理提供完善的數(shù)字化解決方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；破碎機(jī)；PLC；InTouch；遠(yuǎn)程監(jiān)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.172591

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003011403

英文摘要Abstract：In view of the low level of automation， low efficiency and great security risk of the mine crusher in China， the intelligent remote monitoring system for crusher based on Internet of Things is designed. As a realtime monitoring system for crusher， PLC controls the frequency converter through the sensor to detect the realtime status of the device. Using wireless communication module to transfer data to the configuration software InTouch， and display device status information in realtime on Human Machine Interface. The information collection and remote control of crusher are realized， and it improves the visual operation of crusher， makes data sharing， and provides perfect digital solutions for the operation of equipment and enterprise management.

英文關(guān)鍵詞Key Words：Internet of Things； crusher； PLC； InTouch； remote monitoring

0引言

破碎機(jī)是礦山主要生產(chǎn)設(shè)備之一，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋冶金、有色、建材、化工等多種行業(yè)。因破碎機(jī)具有破碎比大、產(chǎn)量高、能耗少、產(chǎn)品粒度均勻等特點(diǎn)，能夠?qū)⒃V破碎到磨礦工藝所要求的粒度，為企業(yè)后續(xù)生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，獲得廣泛應(yīng)用[1]。但目前我國(guó)的破碎機(jī)以老舊設(shè)備居多，僅配置一些檢測(cè)控制儀器，自動(dòng)化程度差，對(duì)于破碎機(jī)的控制與操作，多由人工進(jìn)行，無(wú)法實(shí)時(shí)根據(jù)給料粒度及硬度變化調(diào)整給料量，且設(shè)備多以計(jì)劃維修或定期保養(yǎng)為主，缺少狀態(tài)監(jiān)控和相應(yīng)的故障診斷系統(tǒng)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械潤(rùn)滑不良、過(guò)載等事故隱患，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備故障導(dǎo)致破碎作業(yè)無(wú)法進(jìn)行，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。

為了使破碎設(shè)備達(dá)到預(yù)防為主的效果，必須要有一套完整的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)是建立在工業(yè)控制遠(yuǎn)程監(jiān)控基礎(chǔ)上的一整套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（IoT），涉及組態(tài)軟件、無(wú)線通訊、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，形成破碎機(jī)集中管理、智能監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)控的綜合管理信息平臺(tái)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化、平臺(tái)化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)層面，由監(jiān)控中心和各設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，多個(gè)PLC分布在現(xiàn)場(chǎng)或與傳感器相接，采集和控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的油位、壓力、溫度等各種數(shù)據(jù)，與PLC通過(guò)無(wú)線模塊相連的上位機(jī)InTouch設(shè)立在監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，建立可視化人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)采集到的信息，并可把故障信息傳送至移動(dòng)端便于管理人員及時(shí)排除故障[3]。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷、數(shù)據(jù)通信等自動(dòng)化功能，而且能夠監(jiān)控破碎機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及破碎機(jī)的各個(gè)部件，從而保證破碎機(jī)的正常運(yùn)行，減少安全事故的發(fā)生[4]。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程設(shè)計(jì)

如圖1所示，破碎機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器連接InTouch組態(tài)軟件作為應(yīng)用層，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)信息和報(bào)表顯示，并通過(guò)移動(dòng)端接收故障信息，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的共享和交互；巨控GRM400無(wú)線通信模塊作為監(jiān)控系統(tǒng)連接的橋梁，把PLC和傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸出去；溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器和PLC共同組成感知層，采集破碎機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行工業(yè)控制[5]。

破碎機(jī)的運(yùn)行主要是電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)破料裝置做復(fù)擺運(yùn)動(dòng)，由PLC控制各個(gè)部件的運(yùn)行，并采集電機(jī)的報(bào)警信號(hào)。傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)破碎機(jī)潤(rùn)滑油油量、液壓系統(tǒng)壓力、油溫溫度、主軸溫度、傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速等信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去[6]。本系統(tǒng)采用的無(wú)線模塊為巨控GRM400，可以直接與PLC通過(guò)PPI協(xié)議進(jìn)行通訊，與傳感器直接相連，將采集到的機(jī)體振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、主軸壓力、回油溫度、油流量等模擬信號(hào)和系統(tǒng)啟停連鎖等開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)GPRS傳輸給InTouch上位機(jī)組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)，還可以把故障信息發(fā)送到管理人員的手機(jī)上，通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的工作過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，通過(guò)一系列采集和通訊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控破碎機(jī)的工作狀態(tài)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括兩個(gè)部分：監(jiān)控中心硬件部分和監(jiān)控站硬件部分。監(jiān)控中心的硬件主要包括裝有InTouch組態(tài)軟件的PC機(jī)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器。監(jiān)控站的硬件構(gòu)造根據(jù)完成的功能分為3個(gè)模塊：設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通訊模塊。

設(shè)備控制模塊使用可編程控制器（PLC）。傳統(tǒng)的控制模塊大多采用單片機(jī)，單片機(jī)具有體積小、易嵌入、成本低等特點(diǎn)，但通用性差且故障發(fā)生時(shí)不易維護(hù)，尤其在工業(yè)環(huán)境復(fù)雜等領(lǐng)域不適用。PLC是應(yīng)用單片機(jī)構(gòu)成的比較成熟的控制系統(tǒng)，采用微機(jī)技術(shù)，由集成電路及微型繼電器等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)緊湊且相對(duì)封閉，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，故障率很低，堅(jiān)固耐用，不僅有邏輯運(yùn)算功能，還有數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，滿足過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理和通信等工業(yè)控制的具體要求[79]。PLC模塊是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，為破碎機(jī)的安全有效運(yùn)行提供控制方案。

數(shù)據(jù)采集模塊采用傳感器。傳感器是一種檢測(cè)裝置，將檢測(cè)到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、記錄和控制等要求。該監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測(cè)的信息有機(jī)體振動(dòng)、排礦口大小、轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、主軸壓力、供油溫度、回油溫度、油流量等模擬信號(hào)和系統(tǒng)啟停連鎖等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，另外還可以根據(jù)用戶要求將料箱料位、給料量、冷卻水溫、水流量等輸入信號(hào)作為可選擴(kuò)展項(xiàng)[1012]。通過(guò)壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等不同功能的傳感器共同組成數(shù)據(jù)采集模塊，構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的感知網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線通訊模塊采用巨控GRM400。GRM400是專用于PLC遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控的通訊模塊，使用3G作為通訊手段，內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，為PLC提供多種通信協(xié)議支持，可以直接與PLC通過(guò)RS485通訊接口相連，將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的各種數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)多包并發(fā)采集，智能數(shù)據(jù)壓縮等算法具有較高的響應(yīng)速度，并可隨時(shí)訪問(wèn)PLC控制系統(tǒng)，監(jiān)控程序，維護(hù)設(shè)備，還具有短信報(bào)警功能。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制，即控制油泵的運(yùn)行狀態(tài)。如圖2所示，PLC控制程序由一個(gè)主程序和若干子程序組成，主程序是主要的設(shè)備控制程序，包括系統(tǒng)初始化程序、運(yùn)行模式（手動(dòng)、自動(dòng)）轉(zhuǎn)換程序、故障檢測(cè)報(bào)警程序等，負(fù)責(zé)破碎機(jī)主要的作業(yè)流程。子程序分為手動(dòng)子程序和自動(dòng)子程序，分別執(zhí)行破碎機(jī)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制[13]。手動(dòng)控制是操作人員在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)操作按鈕執(zhí)行各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，主要在系統(tǒng)檢測(cè)和設(shè)備維修時(shí)使用；正常情況下破碎機(jī)處于自動(dòng)控制狀態(tài)，自動(dòng)控制由控制模塊的PLC具體實(shí)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)控中心組態(tài)軟件的觸摸屏顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)，并在發(fā)生故障時(shí)通過(guò)觸摸屏按鈕遠(yuǎn)距離控制油泵的啟停等操作。

PLC控制系統(tǒng)主要采用手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種模式，正常情況下，系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有故障時(shí)，I0.1（自動(dòng)）輸入點(diǎn)接收信號(hào)，調(diào)用自動(dòng)運(yùn)行子程序Auto_1，進(jìn)入自動(dòng)模式。自動(dòng)模式設(shè)有油壓下限開(kāi)關(guān)（I1.1），當(dāng)油箱液位低于設(shè)定值時(shí)，PLC控制程序自動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)行往油箱注油，以恒定油壓。

轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，I0.0（手動(dòng)）輸入點(diǎn)接收信號(hào)，調(diào)用手動(dòng)運(yùn)行子程序Man_1，進(jìn)入手動(dòng)模式，此時(shí)通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)控制油泵的啟停。破碎機(jī)啟動(dòng)手動(dòng)和自動(dòng)程序如圖3所示。

3.2組態(tài)軟件InTouch監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件InTouch是一款智能化的人機(jī)交互軟件，為以工廠和操作人員為中心的工業(yè)信息系統(tǒng)提供可視化工具，能夠快速建立、測(cè)試和部署強(qiáng)大的連接和傳遞實(shí)時(shí)信息的自動(dòng)化應(yīng)用。InTouch監(jiān)控系統(tǒng)可視化界面開(kāi)發(fā)主要包括：登錄界面、監(jiān)控界面、控制界面、查詢界面4個(gè)主要界面，其中監(jiān)控界面和查詢界面下又包含多個(gè)次要界面，分別完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示、故障顯示、報(bào)表打印、將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)時(shí)顯示軸承溫度、油位、各項(xiàng)壓力、傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速等參數(shù)，其界面結(jié)構(gòu)如圖4所示[1415]。其中查詢界面具有良好的軸承數(shù)據(jù)庫(kù)分析系統(tǒng)和故障診斷分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

安全操作是監(jiān)控不容忽視的問(wèn)題，InTouch提供了一個(gè)可靠的基于用戶等級(jí)的安全管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的等級(jí)權(quán)限準(zhǔn)許或禁止對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作。通過(guò)對(duì)工程設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，對(duì)相關(guān)界面設(shè)置訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)，同時(shí)給操作者劃分等級(jí)和安全區(qū)以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。安全登錄界面如圖5所示，點(diǎn)擊登錄按鈕輸入操作員和密碼，登錄成功后會(huì)自動(dòng)顯示操作員的等級(jí)，系統(tǒng)將根據(jù)操作員的等級(jí)判斷是否準(zhǔn)許該操作員進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)點(diǎn)擊配置按鈕可以對(duì)操作員進(jìn)行增、刪、改、減等操作。部分按鈕代碼如下所示：

DIM logon AS INTEGER；

Logon=PostLogonDialog（）；

Logon=Logoff（）；

Passwordmodify=0；

DIM logonmodify AS INTEGER；

Logonmodify=ChangePassword（）；

Passwordmodify=logonmodify；

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的破碎機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是集傳感器檢測(cè)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和組態(tài)軟件監(jiān)控技術(shù)于一身的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用可視化的InTouch人機(jī)界面作為人機(jī)交互平臺(tái)，具有手動(dòng)、自動(dòng)操作功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警功能，數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印等功能。利用巨控GRM400模塊作為無(wú)線傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的無(wú)線通信，并可在移動(dòng)端接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。通過(guò)對(duì)破碎機(jī)工作信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸、自動(dòng)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化配置，極大地提高了工作效率，解決了過(guò)去人工調(diào)控的弊端，提高了破碎機(jī)的連續(xù)高效運(yùn)行能力，為安全生產(chǎn)提供了重要保障。

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