一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的石英礦遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控?zé)o線報(bào)警系統(tǒng)

張 斌,胡林彬

(1.蚌埠凱盛工程技術(shù)有限公司,蚌埠 233010；2.中國(guó)建材國(guó)際工程有限公司海南分公司,海南 570100)

《礦山安全生產(chǎn)“十四五”規(guī)劃(征求意見稿)》要求“推進(jìn)礦山智能化建設(shè)政策配套”，“推進(jìn)礦山智能化建設(shè)”，“將礦山智能裝備和機(jī)器人納入安全技術(shù)改造范圍”，“推進(jìn)礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智能裝備的研發(fā)與應(yīng)用，推進(jìn)礦用裝備智能化，實(shí)現(xiàn)裝備自感知、自決策、自控制功能”。其中安全生產(chǎn)監(jiān)控在石英礦生產(chǎn)行業(yè)已成為重點(diǎn)問題。在石英礦監(jiān)管部門集中、實(shí)時(shí)監(jiān)控所轄各石英礦的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有重大意義。

目前石英礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、信息方面的缺點(diǎn)：1)現(xiàn)場(chǎng)所有的控制信號(hào)通過控制電纜采集發(fā)送到遠(yuǎn)處的控制柜，通過每一臺(tái)控制柜內(nèi)的CPU經(jīng)過信息處理發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，之間距離較遠(yuǎn)，大量的信號(hào)通過電纜傳遞采集易造成相互之間的干擾，而且使用大量的電纜網(wǎng)線，成本較高。2)信息數(shù)據(jù)采集匯總到上位機(jī)上，通過這一處的上位機(jī)才能看到整體的信息狀況，當(dāng)生產(chǎn)操作和設(shè)備故障同時(shí)發(fā)生時(shí)不利于兩者同時(shí)進(jìn)行，往往故障不能得到迅速的處理。

隨著5G技術(shù)的完善，5G網(wǎng)絡(luò)逐漸開始全面推廣。相對(duì)于4G技術(shù)，5G通訊技術(shù)不僅傳輸速度和效率更高，而且具備很高的兼容性，可以實(shí)現(xiàn)多制式、多模式的結(jié)合。再者西門子300系列的PLC即將停產(chǎn)，改由主流支持以太網(wǎng)的1200系列PLC取代，因此，無論從網(wǎng)絡(luò)性能，還是經(jīng)濟(jì)性考慮一種新的基于5G網(wǎng)絡(luò)的石英礦遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控?zé)o線報(bào)警系統(tǒng)非常重要。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于5G網(wǎng)絡(luò)的支持，將分散在石英礦各個(gè)生產(chǎn)部門的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器集中監(jiān)控監(jiān)察，對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生的問題提供實(shí)時(shí)報(bào)警，并具有一定時(shí)限的歷史數(shù)據(jù)備份功能。

采用的技術(shù)方案為：基于5G網(wǎng)絡(luò)的石英礦遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控?zé)o線報(bào)警系統(tǒng)，包括PLC、5G服務(wù)器、5GDTU、INTOUCH 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏四部分，其特征在于:所述PLC、5G服務(wù)器、5GDTU、INTOUCH 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏基于5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)(見圖1)。其中，主PLC與其他子PLC、現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏通過5G服務(wù)器、5GDTU進(jìn)行通訊，讀寫對(duì)應(yīng)的參數(shù)和指令，并周期地讀取IO模塊的輸入信息，在程序運(yùn)算后通過IO模塊向各控制柜發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬件組態(tài)，定義各生產(chǎn)部門的名稱及IP地址，從而來監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

5G服務(wù)器和5GDTU采用TC ROUTER 3002T-5G及TC ANT MOBILE WALL 5M，解決空間上的限制，實(shí)現(xiàn)更高程度的信息傳輸，極大地提高了空間利用率。多生產(chǎn)部門之間可以建立有效的隔離，但又不影響其具體信息傳輸使用。

INTOUCH 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用西門子TP700 7寸PN觸摸屏，通過PROFINET與PLC通訊，顯示各生產(chǎn)部門生產(chǎn)電機(jī)的運(yùn)行、故障等數(shù)據(jù)，并在觸摸屏上可以進(jìn)行電機(jī)報(bào)警時(shí)間的邏輯調(diào)整及控制。

2 系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:1)設(shè)備更加智能化、工業(yè)化，設(shè)置簡(jiǎn)單、操作方便，節(jié)省了大量的人力物力。2)故障排查更加容易、人員操作更加方便、排障和生產(chǎn)可以同時(shí)進(jìn)行，降低了礦山生產(chǎn)中造成的損失。3)數(shù)據(jù)采集發(fā)送更加集中，相關(guān)的操作人員使用的終端設(shè)備可以清晰明了的查看數(shù)據(jù)、操作設(shè)備。4)使用5G網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)控制方式以及分布式IO控制生產(chǎn)的方式，可以不必使用大量的電纜以及通訊網(wǎng)線，節(jié)省了大量的成本。

3 系統(tǒng)的工作原理及簡(jiǎn)單設(shè)置

某石英礦生產(chǎn)廠區(qū)有三處生產(chǎn)車間需要監(jiān)控，即受阻沉降機(jī)、砂漿池和緩沖濃縮池。中央控制室和三處生產(chǎn)車間的3臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因3臺(tái)設(shè)備與中央控制室及彼此相距較遠(yuǎn)，其最遠(yuǎn)相距達(dá)2公里。考慮到安裝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素，故使用5G網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問。采用5G/以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)通信。

該5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控?zé)o線報(bào)警系統(tǒng)PLC采用西門子1211C,自帶6AI/4DO通道，通訊板可采用CB1241。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送方式：1)基于無線基站點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的扇區(qū)天線方式，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模型主要用在幾個(gè)不同區(qū)域的無線設(shè)備需要與一個(gè)中心區(qū)域的接入點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)連接的情況。2)分布式I/O控制方式：使用主CPU作為數(shù)據(jù)處理中心，如單個(gè)CPU可控制1臺(tái)控制柜或電機(jī)，將分布式I/O控制箱放置于設(shè)備處，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3)數(shù)據(jù)處理及查看方式：無線基站的運(yùn)用，可以讓任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入局域網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)查看控制。

工作原理：使用5G DTU與各PLC模塊相連，將主站采集的PLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成5G數(shù)據(jù)上傳到主服務(wù)器。主服務(wù)器再根據(jù)發(fā)送的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將分析后的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需要傳送到不同的從站PLC模塊。同時(shí)，不同的從站的PLC模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到5G DTU，5G DTU再傳送到主服務(wù)器，主服務(wù)器進(jìn)過分析后再傳送給主站PLC。

該5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控?zé)o線報(bào)警系統(tǒng)的PLC西門子1211C基于PROFINET通訊協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏相連,并通過觸摸屏設(shè)置IP地址。

IP地址設(shè)置例：以主站PLC的IP地址為1為例，主站PLC為192.168.0.1，從站的PLC1為192.168.0.2，從站的PLC2為192.168.0.3，從站的PLC3為192.168.0.4,主站觸摸屏1為192.168.0.10，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏2為192.168.0.20，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏3為192.168.0.30，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏4為192.168.0.40。

工作內(nèi)容說明：1)通過5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收監(jiān)控及報(bào)警信號(hào)，如受阻沉降機(jī)處為從站的PLC1、砂漿池為從站的PLC2、緩沖濃縮池為從站的PLC3(即需要監(jiān)控?cái)嚯娦盘?hào)處三處)，監(jiān)控及報(bào)警信號(hào)也可通過主站PCL的DI輸入給原PLC控制系統(tǒng)。2)當(dāng)報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，可在主站及從站的觸摸顯示屏上出現(xiàn)提示。3)當(dāng)報(bào)警信號(hào)解除時(shí)，可在主站及從站的觸摸顯示屏上出現(xiàn)提示。4)當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，可在主站及從站的觸摸顯示屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視。5)監(jiān)控報(bào)警信號(hào)三處中的任意一處出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，另外一處或兩處都可以按照中央控制室的要求設(shè)定延遲及聯(lián)動(dòng)報(bào)警，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過服務(wù)器傳輸給原控制系統(tǒng)，以便其用來控制設(shè)備啟停。如：受阻沉降機(jī)處出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)，砂漿池和緩沖濃縮池同時(shí)報(bào)警，也可設(shè)置為砂漿池和緩沖濃縮池在受阻沉降機(jī)報(bào)警5 min后報(bào)警。

上述實(shí)例僅為本系統(tǒng)的一種實(shí)施方式，除此之外，本系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶需要有其他的報(bào)警組合方式。

4 結(jié) 語

綜上所述，在當(dāng)今科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛的背景下，大量的新設(shè)備、新產(chǎn)品也不斷地應(yīng)用于石英礦生產(chǎn)機(jī)電中，這使得石英礦的整體機(jī)電使用水平不斷提高，機(jī)電技術(shù)管理工作不斷細(xì)化，安全性更需要不斷加強(qiáng)。通過5G核心技術(shù)的支持，企業(yè)管理者可以將石英礦生產(chǎn)中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行更快、更科學(xué)、更有效的統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)于提升石英礦安全生產(chǎn)水平、保障石英礦穩(wěn)定供應(yīng)具有重要意義。因此，我們要高度重視5G技術(shù)在石英礦生產(chǎn)企業(yè)中所發(fā)揮的作用，進(jìn)一步更新觀念，為企業(yè)發(fā)展做貢獻(xiàn)。