基于EIP協議膠帶機滾筒溫度數據上傳系統設計與應用

任文清，王泰基，梁占澤，韓 雷

0 引言

隨著礦井自動化與智能化生產水平的不斷提高，對生產機電設備的關鍵部位進行重點監控顯得尤為重要。目前神東煤炭集團公司大柳塔煤礦主運輸膠帶機、綜采順槽膠帶機、煤倉及煤倉給煤機和倉上刮板等系統全都實現了自動化遠程集中控制。但對于膠帶機驅動滾筒軸承溫度的監控還處在盲區。以前大多都是通過現場點溫儀定時測試或崗位工憑借經驗測聽軸承異響等辦法識別滾筒的運行狀態。顯然這兩種方式都存在較大弊端:現場定時測溫畢竟不是實時監測，存在溫度變化跟蹤不及時或漏檢、數據信息獲取延誤等問題;而憑借崗位工經驗聽取軸承座異響判斷故障，存在“馬后炮”現象。即一方面工作人員不可能長時間堅守在某一固定滾筒測聽，即使可以一直監聽某滾筒異響，也可能因膠帶機開機后噪音過高而出現診斷失誤;另一方面即使工作人員發現了滾筒軸承座處有異響，說明設備已經存在問題或即將故障停機，也根本起不到提前預防維護的作用。

因此，引進當前最可靠的一種數據傳輸方式，即基于EtherNet/IP通信協議，并借助Modbus網關轉換通信協議設計出專業的數據傳輸通道，將礦內主運輸膠帶機滾筒溫度數據全部上傳至區域煤礦集中控制系統，實現了膠帶機滾筒溫度的實時監控。當溫度數據出現異常時，可在系統內設置高級報警，提醒工作人員提前對膠帶機滾筒軸承運行狀態重點關注。發現隱患時可及早進行維修保養，從而有效降低了膠帶機運行的故障率，為煤礦安全生產提供可靠技術支持。

1 EtherNet/IP協議概述

1．1 EtherNet/IP協議定義及原理

EtherNet/IP(Ethernet Industrial Protocol)簡稱EIP，是一種通用工業協議(Common Industrial Protocol，以下簡稱 CIP)，與 ControlNet和 DeviceNet一樣，擁有共同的工業自動化控制應用層協議。它是基于標準的TCP/IP協議，只是在TCP(傳輸控制協議)或UDP(用戶數據報協議)報文的數據嵌入了CIP封裝協議。其封裝協議的主要任務是定義和規范了如何封裝和傳輸上層協議報文，以及如何管理和利用下層TCP/IP連接，起到承上啟下的作用［1］。

EtherNet/IP協議利用以太網UDP協議將UDP報文映射到IP多播傳送，并存在兩種類型的網絡數據:一種是通過隱形報文傳輸系統中實時I/O數據、動作控制數據和功能性安全等實時性與周期性數據，實現高效I/O的數據交換;另一種是利用以太網TCP的流量控制和點對點特性，通過顯性報文傳輸系統中的狀態、診斷、配置等非實時性與非周期性數據［2］。

1．2 EtherNet/IP 協議優點

目前EtherNet/IP協議己成為國際標準，由于具備應用價格低廉、軟硬件產品豐富、通信傳輸速率高、技術較成熟等優點，得到了全球很多工業企業的大力支持。其顯著優越性是將TCP/IP和Ethernet技術融合在了一起，通過以太網軟硬件，為實現工業自動化設備的診斷、訪問與配置定義了一個應用層協議［3］。與其他通信協議相比，其主要優越性表現在以下幾方面。

易集成性:因EtherNet/IP協議使用的是標準TCP/IP以太網，有利于企業通過Internet對工業自動化設備進行集成管理。

設備間一致性:工業自動化網絡設備統一遵守共同的規范，彼此可以傳送具體有效的即時信息，為EtherNet/IP協議解決網絡設備之間互操作難等問題奠定基礎。

尖端安全技術:尖端安全技術實現了不間斷地系統集成，并且能夠在同一網絡上同時運行安全設備和標準。

前沿同步技術:對于大部分工業自動化應用中，前沿同步技術使得同步精度不超過100 ms。

廣泛的支持性:EtherNet/IP與ControlNet和DeviceNet擁有相同的共享對象庫和設備規范，得到了全世界很多工業企業的廣泛應用，EtherNet/IP具備了最廣泛的支持性。

2 Modbus協議轉換器

Modbus協議轉換器，是工業自動化系統的一個網絡集線器轉換設備，下與智能儀表連接，將下位儀表的數據采集到Modbus網關，上與計算機網絡連接，按Modbus TCP協議規約與網絡計算機通信。Modbus通信協議可分為兩大類:一類是支持串口(一般為 RS232C或 RS485等)的 Modbus ASCII或Modbus RTU，另一類是支持以太網的Modbus TCP。其中Modbus RTU是通過二進制形式表現，具有通信效率高、數據結構緊湊等優點，在工業現場應用比較廣泛。而Modbus ASCII是通過ASCII碼傳輸，并且利用特殊字符作為其字節的開始與結束標識，其傳輸效率要遠遠低于Modbus RTU協議，一般只有在通信數據量較小的情況下才考慮使用Modbus ASCII通信協議。而Modbus TCP是結合了以太網物理網絡和TCP/IP網絡標準，以MODBUS作為應用協議標準的數據表示方法［4］。Modbus TCP協議是在Modbus RTU協議上加一個MBAP報文頭，其通信報文被封裝于以太網TCP/IP數據包中。與串口方式相比，Modbus TCP插入一個標準的MODBUS報文到TCP報文中，不再帶有數據校驗和地址，即Modbus TCP協議中沒有CRC校驗碼。

3 膠帶機滾筒軸承溫度數據上傳方案

本方案設計原則是基于EIP協議的溫度數據上傳，其主要的硬件部分由溫度傳感器鉑熱電阻(PT100)、YHW200礦用本安型溫度檢測儀、交換機、EIP協議服務器、Modbus協議轉換器、上位機服務器及顯示器組成。

3．1 數據接入方案設計

為考慮數據傳輸的可靠性和穩定性，文中將溫度檢測儀采集到的數據通過EIP協議服務器接入環網交換機，數據將通過生產控制專用環網傳入數據中心。現以大柳塔煤礦5－2煤上倉膠帶機為例，是由兩個驅動滾筒組成，每個滾筒左右各需接入一個鉑熱電阻PT100，共需接入4個溫度傳感器。綜合考慮各設備采購成本、設備及纜線布置方便性，文中設計出一套合理的數據傳輸方案，其數據接入設計方案如圖1所示。

圖1 數據接入設計方案

其中EIP協議服務器選用的是MOXA的協議轉換器，其主要功能是完成對通信規約的轉換，即通過Modbus TCP通信協議讀取YHW200溫度監測儀采集到的溫度數據，轉換成EIP通信協議后以服務器的方式發布給上位機。此外，由于YHW200溫度監測儀只支持Modbus RTU協議，而EIP協議服務器只支持Modbus TCP，因此還需在以太網里再加一個Modbus協議轉換模塊，實現Modbus RTU協議到Modbus TCP協議之間的規約轉換。

3．2 溫度監測儀測溫原理

采用由中煤科工集團重慶煤科院有限公司提供的YHW200礦用本安型溫度檢測儀。這是一種基于PIC單片機為核心的溫度檢測系統，可通過接入PT100鉑電阻而測量溫度，最多可以測量16路溫度信號，具有集成成本低、測量精度高、巡檢周期短等特點。溫度檢測儀主要由單片機、電源電路、看門狗自動復位、通訊電路、采樣電路、恒流源電路等組成。其測溫原理是通過電子開關轉換，將其內部恒流源加到不同的PT100上面，然后測試三線制PT100電阻兩端的電壓，進而計算得出每路PT100的電阻，最后借助轉換函數計算出被測部位的實際溫度。

3．3 鉑熱電阻(PT100)安裝固定

溫度傳感器選擇PT100鉑熱電阻，其主要特性為阻值隨溫度的變化成正比關系。當PT100接入溫度巡檢儀輸入通道時，將完成信號組成、采樣、放大、轉換、線性處理等步驟，實現溫度信號的測量。文中測量膠帶機滾筒溫度主要是為測量軸承溫度，但PT100又不能直接深入軸承內部，考慮最大化保證測量的準確性，只能將傳感器安裝在滾筒軸承座上。而膠帶機開機后由于滾筒軸承座有輕微振動，如果選擇高溫磁鐵PT100時，勢必會因振動而易脫落。因此為保證測量的穩定性，本方案在軸承座上打孔攻絲，然后用螺釘將傳感器牢牢固定在軸承座上。

3．4 上位機監控軟件選擇

大柳塔煤礦上位機綜合自動化系統采用區域煤礦集中控制系統(LCS)，是基于德國PSI公司開發的一款自動化控制軟件(PSI Mining系統)，通過管控一體化的三級SCADA平臺，將礦井采掘、供電、通風、主運、洗選、供排水和工業視頻等各孤立系統結合成一個有機的整體，實現了井下設備的云監測和遠程控制、數據關聯分析、報表業務及輔助決策和智能報警等功能。具有數據容量大，系統穩定性高，操作靈活可靠等特點［5］。

因此，將膠帶機滾筒軸承溫度數據接入區域煤礦集中控制系統，通過讀取EIP服務器寄存器數據，將系統十六進制數處理并轉換成十進制數，形成點表錄入系統并與組態畫面進行數據關聯，通過數據模型生成和系統切換后，滾筒溫度數據即可呈現在上位機畫面中，從而實現了數據的實時監測。另外，通過LCS系統平臺設定膠帶機滾筒軸承溫度上限報警和超溫停機臨界值。在膠帶機運行過程中，當溫度出現異常時，首先將達到報警值，系統畫面將呈黃色顯示，提醒工作人員重點關注;當溫度繼續升高至超溫停機值時，系統畫面將呈紅色顯示，提醒膠帶機出現故障停機。

4 結語

通過分析EIP協議在工業自動化領域里的應用優勢，提出礦井膠帶機驅動滾筒軸承溫度數據上傳的合理性方案，并借助上位機自動化控制系統的強大功能，實現了膠帶機滾筒溫度數據的實時監控、智能報警和保護停機等功能，為大柳塔煤礦逐步實現主運膠帶機“無人值守”奠定了基礎。同時，基于EIP協議實現數據上傳的方式屬于當前世界領先水平，也是將來工礦企業實現自動化數據傳輸的必然趨勢，并將在工業自動化控制領域里得以應用推廣。