基于物联网技术的同步电动机励磁设备监控平台

徐宜宾

摘要：我国物联网发展稳步推进，在各个行业的应用全面展开，在工业领域，物联网技术的应用有效带动了产业智能化信息化。现今为满足昆明钢铁集团有限公司玉溪大红山矿业有限公司生产需求，本文基于物联网技术，搭建同步电动机励磁设备监控平台。解决矿山行业普遍存在的因地域分散导致的各种困难，实现设备参数的数据汇总、远程实时监控、历史记录以及故障报警等功能，使矿山生产更安全、高效、智能。

关键词：物联网;励磁设备;监控;同步电动机;矿山

一、引言

从2005年国际电信联盟明确提出Internet of Things即物联网概念，并预想出未来无所不在的通信网络开始，全球物联网经过十几年的发展，整体上已经步入扩大生产扩大使用全面推广的阶段[1]。国际上，大国一直将物联网视为提升国际竞争力的重要战略布局，大力推进物联网产业发展。在第四次工业革命的进程中，物联网既是工业革命的产物又是工业革命的推手，工业强国纷纷将物联网技术应用到生产制造过程中去，实现生产制造的信息化升级。

企业要高质量发展，必须要跟上信息化的脚步，在数字化生产环境的基础上，利用物联网技术，加强信息互联互通，从而掌控全局，提高生产过程的可控性，减少人为干预的随机性，加强监测采集的即时性，统筹规划使生产计划更合理，构建高效、节能、环保、智慧的信息化生产环境[2]。

在矿山行业，普遍存在生产矿井分散，距离行政办公环境远，距离监控中心远的问题[3]。由于距离阻隔，给矿山行业生产、计量、监控、控制都带来了极大的困难。利用物联网技术，可以实现远程通信，将设备运行状况发送给监控中心，也可以远程控制设备，使现场、监控、行政做到信息化互联互通，距离不再阻碍生产，一些不便人员常驻的生产环境也可以变为无人值守。昆明钢铁集团有限公司玉溪大红山矿业有限公司现有同步电动机励磁设备14台即面临上述困难，本文通过物联网技术搭建励磁设备监控平台，实现设备数据汇总、远程实时监控、历史记录以及故障报警等功能。有效满足了玉溪大红山矿业有限公司生产的需求，实现励磁设备的信息化管理。

二、物联网技术概述

物联网是一个十分宽泛的概念，它的基本定义是让物理对象能被独立寻址并实现互联互通。它的实际应用是将实体通过信息设备，传感设备与互联网连接，进行信息交换[4]。它的目的是为了使所有的物理实体互联互通，实现信息化智能化的管理。

物联网从技术结构上可以分为三层：感知层、网络层、应用层[5]。如图1所示。

感知层是物联网的底层，但它是实现物联网全面感知的核心能力，主要解决物理实体的数据获取和连接问题。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，传感器包括各种物理量传感器、摄像头、条码设备、GPS以及射屏识别器。

网络层是物联网的中间层，它主要由私有网络、互联网、有线通信网络、无线通信网络、网络管理系统和云计算平台等组成。网络层的功能包括分配地址、路由、交换和链接的建立保持与终止等[6]。其目的是使实体与实体之间实现数据传输。近年飞速发展的云计算则为物联网海量的数据提供了存储平台，并通过数据库技术，数据挖掘技术和各类人工智能技术对大量的数据进行分析处理，是物联网最强大的技术支持。

应用层是物联网的最上层，物联网的应用层利用经过分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务，可分为监控型如物流监控、污染监控;查询型如智能检索、远程抄表;控制型如智能交通、智能家居、路灯控制;扫描型如手机钱包、ETC等[7]。应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用[8]。

三、监控平台设计

3.1 情况概述

玉溪大红山矿业有限公司现有同步电动机励磁设备14台，均为武汉科大电控KGLF-3S型励磁柜。励磁柜部件包括西门子S7-1200PLC、西门子S7-200PLC、可控硅、励磁控制器等。勵磁柜用于铁矿球磨工艺段同步电动机的励磁。目前的球磨工艺基本实现自动化控制，但生产工艺复杂，干扰多，必须操作人员值守。然而球磨机体积巨大，通常球磨机之间间隔距离远，多车间之间统筹协调有困难。单个球磨机的控制设备也因体积巨大导致较为分散，导致操作人员需要四处跑动，不利于提高生产效率。同时，球磨工艺段现场噪音巨大，危害操作人员健康，不利于长时间值守。因此，需要将球磨工艺的各项参数与控制机能传递至监控中心，协调各车间生产，监控设备运行状况，给操作人员更舒适的生产环境。其中，励磁柜的各项运行参数包括运行状态、同步速度、投励方式、异步时间、全压时间、励磁电压、励磁电流等均需要传递至监控中心，并具有远程读写功能。

3.2 感知层设计

由于励磁设备所需的外部传感器不复杂，监测位置基本位于柜内，所以传感器均使用有线连接。传感器包括交流电压传感器、交流电流传感器、功率因数传感器、温度传感器。除温度传感器外，均使用AC220V转DC24V的开关电源供电。传感器将采集数据转换为4-20mA电流输出，西门子EM235模块接受此电流信号，最终在S7型PLC中转换为实际的电流、电压、温度值。此外，其他不需传感器接受的的运行参数如开关量等，已由S7型PLC记录。在物联网结构上上S7型PLC不仅作为底层自动化控制的中枢，也同时做为传感器网关发挥作用。使用成熟的可编程逻辑控制器搭建感知层，保障了设备的稳定性，使设备方便扩展，方便组网，为后续的网络层设计打下基础。

3.3 网络层设计

物联网的网络层涉及到通信网络七层协议中多个层的多种协议类型，因而十分复杂。常用的物联网通信协议如图2所示。在网络结构的物理层上，分为两个大类有线通信与无线通信。其中无线通信又分为近距离通信、远距离通信和蜂窝通信。有线通信使用最多的是以太网，其他使用有线物理层的还包括RS232、RS485等。近距离通信常见的包括使用于耳机、鼠标等无线设备的蓝牙;使用于非接触读卡等近场通讯的NFC;使用于物流、ETC的RFID射频识别。其他则还有Dash7、IRdA等近距离通信协议。远距离通信最常见的是用于家庭无线网络的Wi-Fi，以及适合私人组网的LoRa，ZigBee等。蜂窝通信是现在广泛应用的移动通信方式，全球电信运营商均使用蜂窝通信技术为用户提供移动通信业务，随着蜂窝通信技术的发展，蜂窝通信模组大量的应用于物联网设备，蜂窝通信也逐步成为物联网服务的重要支柱。

在本设计中，考虑到设备的地域分布，有线通信与近距离通信都是无法实现的，同时现场的移动运营商网络覆盖良好，综合现场情况以及成本考量，最终选择具有蜂窝通信能力的KDDK-TXZ3系列物联网模块作为网络层的主要设备。此系列模块分为主模块与从模块，其中，从模块具有以太网有线通信功能以及RS485网关功能，RS485网关可以兼容多项协议，包括MODBUS、PPI等。主模块除上述从模块具有的功能以外，还具有4G蜂窝通信功能。

网络结构上，励磁柜的PLC作为最底层的节点，通过RS485总线与TXZ3物联网模块通讯，其中西门子S7-300系列使用MODBUS协议，西门子S7-200系列使用PPI协议，将感知层采集的信息传递给物联网模块。物联网模块之间则使用以太网TCP/IP协议通信，需要架设以太网交换机，最终数据将通过以太网传递给物联网主模块，主模块使用4G蜂窝通信功能将数据上传至云端服务器。在具体设计上，基于实际需求、带宽容量与成本考量，每个励磁柜配置一个物联网从模块，位于同一机房的励磁柜设备组配置一个交换机与一个物联网主模块，单一机房的网络层结构如图3所示，物联网监控系统网络整体结构如图4所示。

3.4 应用层设计

应用层作为物联网结构的最上层，需要担负数据存储计算与人机交互的功能，完成这些功能的首要前提就是保障数据的安全。云端监控平台采用国内成熟服务器运营商设备，具有DDoS攻击防护、网络入侵检测、Web应用防护等安全防护功能。人机交互界面采取分级权限，设置值班人员，监控人员，管理人员等分级，并对每一项数据设置读写权限，防止非专业人员误操作。云端监控平台接受各主模块发送的数据存储在云端，按照分类形成数据表格、实时曲线图等监控页面，使用者通过账号密码登录到监控平台网页即可实时监控所有设备信息。云端监控平台还具备历史信息记录与统计功能，以及短信报警功能，记录数据可生成图表提供给使用者，便于对生产过程进行分析，监控数据可按实际需求设置报警，当数值超出限制，云端将向指定的使用者发送报警短信提示故障。

四、结语

本设计所述物联网监控平台实现了同步电动机励磁设备的远程监控与控制功能，实现了历史数据记录、查询与分析功能，解决了一部分矿山行业因地域分散带来的难题，为生产管理人员提供了舒适便利的工作环境。在长期运行过程中，本监控平台运行稳定，準确报障，提高了生产的效率与安全性。在智能化信息化工业浪潮中，本监控平台有充足的发展潜力，值得推广。

参考文献：

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[5].薛凌燕， 李树榜. 物联网技术在化工企业的应用研究[J]. 自动化仪表， 2015， 36（3）：60-61.

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