基于CAN/FDD-LTE传输的选煤厂机电设备监控平台设计

丁玉红

(西山煤电集团 屯兰选煤厂， 山西 太原 030026)

0 引言

选煤厂机电设备任务繁重，日运行时间可达8～20 h,一次启动的设备可达20～30台，安全闭锁、联锁关系复杂,机电设备运行环境恶劣,劳动强度大[1-2]。因此，设计并实现选煤厂机电设备监控平台成为改善工人劳动环境和提升选煤厂智能化水平的迫切要求。

黄孝奎等[3]建立选煤机电设备视频随动控制系统，实现视频监控、选煤生产集控平台的联动控制，消除选煤厂机电设备之间通信障碍和控制“孤岛”问题，实现选煤过程的智能化控制，达到“无人则安”的本质安全目标。杨海源等[4]在陕煤神木张家峁选煤厂实现了基于三维信息化控制系统的选煤厂机电设备监控技术，提升了选煤厂监控平台的集约化和标准化管理，实现机电设备的无人值守，有效提高了生产效率。张传伟等[5]针对选煤厂生产环境恶劣、电缆损坏率高的问题，提出一种以CP340为核心模块的无线通信选煤厂监控方案，并对无线通信的可靠性进行分析，结果显示该无线通信方案数据传输可靠，满足选煤厂监控平台数据时延的要求。王槊华等[6]在宁东选煤厂搭建综合监控系统网络平台，采用KEPServer Enterprise采集各系统的PLC数据、各工艺段运行参数，实现选煤厂视频、音频、数据的传输和监控。陈震等[7]以iFIX组态软件为上位机开发平台，以Modicon M340 PLC为下位机控制系统，由TCP/IP作为数据传输模式，实现选煤厂集中控制系统的仿真和模拟实验，人机界面友好，系统运行稳定。张永清等[8]将PLC作为监控平台的核心控制部件，实现选煤厂全部设备信号、数据的监控，并在王家岭选煤厂投入使用，提升了选煤厂的自动化管理水平。国外如Beiley选煤厂利用WIFI+TCP/IP通信技术，基于二维/三维动态显示实现了全选煤厂的自动化，处理能力可达800～1 500 t/h，每班工作人员不超3人[9]。

现有对选煤厂监控平台的方案设计中，以机电设备运行数据展示为主，对设备的控制研究相对较少，且监控系统获取的机电设备数据较多，利用通信方案实现数据传输时，存在传输时延较大甚至发生传输拥塞，导致急停、闭锁等控制指令无法传送而导致重大安全事故。以PLC控制器为核心，CAN(有线)与FDD-LTE(无线)通信相结合，以动态优先级思想设计选煤厂机电设备数据传输方案，保证机电设备急停、闭锁等非周期信号的传输实时性要求，保证选煤厂机电设备安全有序运行。

1 选煤工艺流程

选煤工艺流程主要由原煤分级系统、块煤主/再选系统、末煤分选系统以及粗煤泥分选系统成，如图1所示。0～300 mm的原煤经选煤工艺流程脱介/脱水、沉淀、筛分级、加压过滤、浓缩后，形成不同品级的煤种，分别存入块精煤仓、精煤仓、中煤仓、煤泥仓以及矸石仓。

2 总体方案设计

选煤厂机电设备监控平台系统如图2所示，根据选煤工艺流程，设计原煤分级I/O、块煤主/再选I/O、末煤分选I/O、粗煤泥分选I/O 4个分站，每一个分站都以PLC控制器为核心，获取本系统机电设备的开关量、模拟量信息，以FDD-LTE无线以及CAN通信双冗余通信模式将分站所有数据传送至PCC计算机控制器主站。PCC计算机控制主站与King SCADA软件平台以CAN通信模式进行数据交互。King SCADA软件平台不但接收PCC数据进行界面展示，同时可通过King SCADA软件平台发出控制指令，控制各系统选煤机电设备的运行状态。

图1 选煤工艺流程

图2 屯兰选煤厂机电设备监控平台系统

3 PLC控制系统设计

PLC控制系统设计包括PLC核心控制器主站设计、原煤分级I/O分站、块煤主/再选I/O分站、末煤分选I/O分站以及粗煤泥分选I/O分站五分部分。PLC核心控制器主站以通信模式接收各I/O分站状态数据并传送给King SCADA监控平台用于显示，同时将监控平台控制指令传送给各I/O分站，用于控制各分站的指定机电设备。各I/O分站自组成一个子系统，由EPEC 3724为核心控制器作为核心控制器，对该分站的机电设备进行监控。

以原煤分级I/O分站为例，该分站主要用于将0～300 mm的原煤经带式输送机运输至选煤厂主厂房后，经刮板输送机分配至原煤分级筛，经振动筛分选出不同粒度的煤料分别运输至块煤、末煤以及粗煤泥I/O分站系统。在原煤分级I/O分站中，需要监控的机电设备有电动机振动给煤机、带式输送机、刮板输送机、电动平板闸门以及原煤分级筛等。原煤分级I/O分站的PLC核心控制器配置的数字I/O、模拟I/O变量统计以及PLC引脚对应关系见表1所示。

表1列出了部分原煤分级I/O分站中PLC控制器配至的数字量I/O、模拟量I/O统计以及地址分配。由于篇幅原因，未列出电动平板闸门、原煤分级筛设备的地址分配。块煤主/再选I/O分站、末煤分选I/O分站以及粗煤泥分选I/O分站的PLC控制器设计与原煤分级I/O分站PLC控制系统设计基本相同。

对EPEC 3724 PLC控制器分配地址后，根据各分站实现的功能，进行PLC软件程序编写。基于CoDeSys 2.3软件开发平台，采用ST语言进行编程，实现对各分站系统机电设备运行控制、状态参数、错误报警信息的采集。

4 通信系统设计

4.1 FDD-LTE无线通信系统

每一个I/O分站配置一个FDD-LTE终端，I/O分站通过TCP/IP通信模式将数据传送至FDD-LTE终端，FDD-LTE终端以无线通信模式与FDD-LTE基站进行数据交互。FDD-LTE基站再以TCP/IP模式将数据传送给PCC计算机控制器主站。表2为无线发送数据格式定义，其中第1字节为I/O分站地址标识；第2～5字节为该分站的开关量、模拟量数据；第6～7字节为CRC校验值；第8字节保留。PCC接收到分站数据后，返回ACK数据，以便分站进行发送确认。

设计的监控平台选用的FDD-LTE基站和终端为FDD-LTE通信制式，工作频率区间为1.785～1.805 GHz,发射功率不大于30 dBm，接收灵敏度为-75 dBm，无线通信距离大于500 m。

4.2 CAN通信系统

每一个I/O分站以CAN通信模式与PCC进行数据传输，采用CAN2.0A通信协议，11位标准帧格式，如图3所示。定义原煤分级I/O分站、块煤主/再选I/O分站、末煤分选I/O分站以及粗煤泥分选I/O分站CAN通信从站地址为0x19、0x29、0x39以及0x49，波特率为2.5×105bit/s。另外，仍需要定义各I/O分站与PCC主站CAN通信协议。

图3 CAN总线通信标准帧格式

为保证监控平台对各I/O分站机电设备的应急模式控制的实时性，设计基于动态优先级的CAN通信方案。将CAN总线通信标准帧中的仲裁段的11 bits进行重新定义，见图4所示。

图4 动态优先级CAN总线标准帧仲裁段定义

定义由监控平台发出的控制指令优先级，如表3所示，仲裁段数值越小优先级越高。如机电设备的急停闭锁优先级最高、设备联动控制指令优先级最低。

为保证高优先级的控制指令优先传输，在PCC控制器中设计CAN总线通信动态优先级软件流程，如图5所示。令待发送的控制指令初始优先级为α，碰撞失败次数为n，则该控制指令本发送周期的优先级定义为α′=α-n，且α>1。若该控制指令在设定时间T-1内没有发送成功，则直接设置该控制指令优先级为1，保证在下一发送周期发送成功。

表3 CAN总线通信数据优先级定义

图5 CAN总线通信动态优先级软件流程

5 界面系统设计

设计的选煤厂机电设备监控平台有King SCADA软件进行实现，该软件以CAN通信模式获取主站PLC控制器数据并传送控制命令给主站PLC。在该界面系统中，根据选煤工艺流程，包括设计主界面(登录界面)、原煤分级I/O分站、块煤主/再选I/O分站、末煤分选I/O分站、粗煤泥分选I/O分站、历史数据查询、历史报警查询、错误故障报警、系统帮助8个界面，图6所示为原煤分级I/O分站界面，展示出原煤分级系统子工艺流程，原煤经翻车机后存储至缓冲仓1、缓冲仓2。在缓冲仓中的原煤有两条带式运输机将原煤运输至原煤仓1/2/3。原煤仓中的原煤经6台电振机控制进入洗选系统的原煤。在电振机下配备有带式运输机和刮板输送机，负责将经电振机后的煤料运输并分配至原煤分级筛。原煤分级筛可按照煤料的粒级将煤料转运至不同的I/O分站进行洗选。在King SCADA软件平台中，对各带式运输机、刮板输送机进行动画设计，如带式运输机101，定义Enable变量，当该变量为TRUE时，带式运输机按照指定动画动作；当该变量为FALSE时带式运输机停止。点击图6中的各按钮可进入指定功能的监控画面。

图6 屯兰选煤厂机电设备监控平台

6 结语

选煤厂机电设备多、操作复杂、劳动强度大，设计机电设备监控平台，使各设备的启停、闭锁关系实现自动控制，在降低劳动强度的同时，增强了机电设备运行的可靠性和安全性，提高了选煤设备的运行效率。据统计，基于该监控平台控制后，屯兰选煤厂机电设备的启停时间有原来的平均60～70 min下降至20～30 min,由机电设备故障率引起的停机时间有原来的18～22 h下降至2～3 h，效果显著。