智能化选煤厂工业通讯平台的研究应用

朱延涛

(平顶山中选自控系统有限公司，河南 平顶山 467000)

随着工业控制及信息技术的发展，选煤厂也紧随时代的发展，经历了电气自动化、信息化，智能化几个阶段。各个阶段最重要的目的就是提高生产效率，同时将生产中各个岗位的工作人员从工作环境中解脱出来。现阶段最为热门的智能化升级主要包含设备状态感知、机器人应用、生产过程预判、专家库系统和移动终端应用等。各个系统的大量数据是智能化系统运转的最重要支撑，获取过程数据、数据交互、数据存储、数据分析也就成为了重中之重。

1 选煤厂数据采集现状及问题

智能化阶段以来不同类型系统之间相互融合，边界逐步模糊。以往只需要使用标准的工控通讯协议就能顺利采集的生产数据，目前面对综合智能化系统，就显得力不从心，需要增加Web通讯协议、物联网通讯协议等才能实现。传统的协议转换网关功能的单一性导致不同的通讯协议需要不同的协议转换网关，协议转换网关种类的多样性就会使日后智能化系统的维护复杂化。为解决该项问题，不少PLC控制器厂商正在逐步将一些新兴的物联网通讯协议(如：MQTT)、通用工控协议(如：OPC UA) 直接集成到控制器中，但是受PLC处理器性能限制，传递数据数量非常有限，不能满足智能化系统的需求。

2 解决方案

在榆林某国家重点保供选煤厂智能化升级项目中，需要采集数据涉及的系统如下：

(1)生产控制PLC系统；

(2)配电检测仪表、水电耗计量仪表；

(3)生产巡检类机器人、操作类机器人；

(4)专家系统的数据；

(5)智能照明。

以上系统的数据采集横跨了工控、Web、物联网、数据库等数据接口，由此本项目使用了基于树莓派的工业数据采集平台，得益于其灵活的模块化设计，使OPC UA协议、Modbus RTU、Modbus TCP、http、Profinet、MQTT完美融合在一起。

3 功能及实现

树莓派是世界上最小的台式机，又称卡片式电脑，具有电脑的所有基本功能，这就是Raspberry Pi电脑板，中文译名“树莓派”。项目中采用的是树莓派最新型号Raspberry Pi 4B 具备1.5 Ghz运行的64位四核处理器，最高支持以60 fps 速度刷新的4K分辨率的双显示屏，高达8 GB RAM，2.4/5.0 Ghz双频无线LAN，蓝牙5.0/BLE，千兆以太网，USB3.0和PoE功能(图1)。

图1 工业采集平台结构

树莓派之所以能够兼容多种数据接口，主要得益于它集成的强大Python运行环境、丰富的硬件扩展接口和小巧便于分布的特点。项目中使用的工业数据采集平台由多个功能模块组成：工控协议模块、物联网协议模块、Web协议模块、看守模块、数据转发模块、运行配置模块。

(1)工控协议模块：主要实现工控协议类数据采集，例如PLC系统、仪器仪表、单机系统。生产控制PLC系统是选煤厂运转的核心系统，Python不仅可以通过模块化实现Modbus TCP、Modbus RTU、Profinet、Ethernet/IP等工控通讯协议，也可以采用标准的OPC UA进行数据通讯。项目中主要使用了Profinet通讯协议，对S7-1500 PLC进行数据读写。

配电检测仪表、水电耗计量仪表是实现智能化选煤厂设备状态感知的主要途径，也为生产过程预判提供设备状态、系统负载、生产消耗等实时数据，便于及时发现问题、调整生产，提高效率。仪表数据采集方式主要是使用仪表通讯端口，通常是使用485总线的Modbus rtu协议。由于树莓派的体积小，便于分布安装，将配备了485扩展版的树莓派采集平台分别安装在各个485数据采集总线连接处，实现数据采集，同时也作为智能化系统的一个数据中转节点。

(2)物联网协议模块：主要使用了物联网MQTT协议。MQTT是用于物联网的标准消息传递协议。它被设计为一种非常轻量级的发布/订阅消息传送，非常适合以较小的代码占用量和网络带宽连接远程设备。

在此次项目中为减少智能化信息中心数据处理量，对分布在厂区重要区域的蓝牙采集器附近安装了树莓派采集平台，进行分区域数据采集。蓝牙采集器实时发现并采集区域内岗位人员佩戴的多功能蓝牙手环信息，通过MQTT协议将岗位人员的位置、心率、血压等状态信息推送到安装在本区域的树莓派采集平台，采集平台根据设定过滤掉重复及错误信息，将有效数据通过数据转发模块传递回智能化信息中心，信息中心系统根据设定判断工作人员健康状态，同时判断是否开启或关闭指定区域照明。

(3)Web协议模块：工业机器人是高度集成化的多功能系统，包括环境温度及有害气体检测，实时视频反馈，远程指令执行等功能。本项目主要应用在机器人的状态数据采集和报警数据采集。由于机器人系统只能提供http接口，于是通过树莓派采集平台，采用http协议周期性采集环境温度、有害气体数据、机器人报警信息。将数据过滤后的有效数据通过数据转发模块传递回智能化信息中心。

(4)数据转发模块：该模块主要功能是将其他数据采集模块采集、存放在指定数据寄存器区中的数据，通过OPC UA Server、Modbus Tcp server 、WebServer 3种形式转发给第三方数据用户。项目中对于实时性要求较高的专家系统、报警展示系统采用了OPC UA接口和Modbus Tcp接口与智能化信息中心交互数据。对于采集间隔周期相对较长的水电消耗、人员健康状态、位置信息，则采用WebServer 接口定时推送数据到智能化信息中心。

(5)看守模块：该模块实时监测数据采集、数据转发等模块是否正常运行。当发现错误，按照设定策略进行处理。当错误无法修正时向智能化信息中心提供故障信息。

(6)运行配置模块：配置方式采用Web页面的配置方式，对数据采集方案、数据存储区域，转发方案进行设定。这种配置方式不仅实现分布在不同区域的树莓派采集平台的功能设置，还能随时查看各平台的温度、系统负载率等信息。

4 应用效果

分布在选煤厂各个区域的树莓派采集平台，根据采集目标数据的性质不同，设定不同采集频率。

(1)生产工艺相关的集控数据，需要真实反映生产流程中设备的状态及指标参数，要求实时性较高，设定刷新频率一般为500 ms，通讯中断阈值设定为1 000 ms(看守模块检测到采集程序通讯标志位超过阈值时间不改变认为通讯故障)。基本满足采集数据与控制系统数据实时同步的要求，能够真实反应生产状态。

(2)水电耗计量仪表数据主要是提供计量和生产成本计算使用，数据实时性要求不高，设定刷新频率一般为60 s，通讯中断阈值设定为1 000 ms。能够满足选煤厂交接班报表数据精度要求。

(3)物联网协议模块采集数据主要为智能照明区域定位和人员健康数据。数据实时性要求相对较高，设定刷新频率一般为3 s，通讯中断阈值设定为1 000 ms。能够满足控制程序人来灯亮，人走2 min后灯灭的效果。人员健康数据属于定时抽检，因此3 s数据采集频率能够达到目标效果。

(4)工业机器人的状态数据和报警数据采用的是http接口协议，受接口方式和机器人本身服务端性能限制，数据刷新频率设定为5 s，通讯中断阈值设定为1 000 ms 。采集的工业机器人状态数据和报警数据，属于应用时定时观察，实时性相对较低，该采集频率能够满足集控室操作人员的工作需求。

受选煤厂生产区域环境的影响，有些防爆区域的树莓派采集平台需要安装散热导片，使用散热硅胶和防爆盒外壳进行紧密连接，形成整体散热，应用过程中从未出现过因为过热损坏或者死机的情况。各区域的树莓派采集平台经过长时间各种环境运行，系统稳定，工作正常。

数据流量方面，由于树莓派采集平台采用了可配置策略的过滤方式，及时丢弃无效数据，使智能化数据中心的数据处理量减少20%。转发接口方面，将各种复杂的接口统一为常用的数据接口，使得智能化数据中心数据开发难度、维护难度大大降低。

5 结 语

通过此次选煤厂智能化改造工作，能够切实体会到任何系统在技术层面是没有绝对界线的，是不断重复着划分和融合的过程。借助数据采集平台稳定运行，为智能化选煤厂提供了大量综合数据，保障生产管理层面上进行全方位管控，从根本上提高选煤厂设备运行效率，确保选煤厂能够获得显著的社会与经济效益。