摘要：本文應用PLC工業現場總線技術、Internet網絡傳輸技術和密鑰安全通訊技術，通過賽遠自動化的工業遠程安全通訊系統SY-RSCM，將分布在全國各地的礦井提升機和設備制造商的技術總部，連接為統一的全球工業遠程保障中心網絡，實現了礦井提升機的全生命周期的管理，包括安裝、預警、調試、維護、升級全過程的精確控制、智能診斷、實時監控和生產的高效管理。本文通過礦井提升設備的行業狀況，遠程診斷和預警的需求分析，遠程安全通訊系統的軟件和硬件設計，介紹了賽遠的工業遠程通訊系統實現智能化礦井提升設備的遠程監控的整個過程。

 

關鍵詞：工業PLC遠程通訊   遠程診斷和維護 礦井提升機

 

   礦井提升機是一種安裝在地面，借助于鋼絲繩帶動提升容器沿井筒或斜坡道運行的提升機械，是各種礦山生產過程中的大型關鍵設備，其任務是用于升降人員和設備、提升礦石以及下放材料等。礦井提升機的工作特點是在一定的距離內，以較高的速度往復運行，完成提升或下放任務。因此，礦山提升設備應具有良好的機械特性、先進的控制設備、實時的遠程診斷系統和完善的保護裝置。它的性能和安全性直接關系到礦工的生命安全，工作過程中一旦發生機械或電氣故障，損害設備，影響生產，嚴重地威脅礦井的安全，甚至造成人身傷亡事故。雖然礦井提升機本身有一些保護措施，但由于采礦作業的復雜性，環境的惡劣性和設備的可靠性，致使礦井生產中仍有 不少由于提升系統造成的重大人員傷亡和設備損壞事故的發生，因此，礦井提升機素有“礦山咽喉”之稱。隨著工業控制、機械設計、智能化網絡的進步，智能化礦井的建設和對人生命的重視，人們對礦井提升機的生命周期管理、設備預警、安全可靠性、實時的遠程診斷和維護提出了更高的要求。

   上世紀60年代至90年代，采用“異步電動機+轉子串電阻加速十高壓接觸器換向+動力制動減速+繼電器控制”的控制方式交流單繩纏繞式成為主流的礦井提升設備的電控系統，從80年代開始，發電機-電動機機組傳動方式改為直流電動機由直流發電機供電，直流發電機由三相同步電動機拖動，晶閘管變流器模擬電控系統：控制保護部分基本上都采用模擬系統。

   近年來，交流提升機電控系統通過交交變頻調速系統 ，全數字直流傳動，低壓變頻調速，高壓變頻調速系統，加上PLC安全工藝控制的使用越來越多，甚至通過兩套PLC構成安全回路雙線制，通過現場總線技術，數字化、模塊化設計成為了主流設計系統。

下一步，交直交變頻傳動調速系統將越來越多的被應用到新型的礦井提升設備上，其采用完全相同的整流及逆變功率結構，網側功率因數基本為1，諧波很小，電機側電流波形接近正弦波。在控制系統中，不僅僅是控制的節能和平穩性，在安全性方面，通過完善監測保護手段，也會提升可靠性。后備綜合保護系統已經成為必備的系統，通過安裝工業攝像頭進行實時監控，通過增加傳感器檢測游動滾筒動作情況，實現全自動化運行，遠程監控，將信息進行實時的和本地中控、遠程控制室進行雙向通訊，實現智能化、數字化的礦井監控系統。

   礦井提升機按照提升的原理不同，可分為“纏繞式提升機(mine drum winder)”和“摩擦式提升機(mine friction winder)”兩種。

礦井提升設備的主要組成部分是：提升容器、提升鋼絲繩、提升機及拖動控制系統、井架、天倫及裝載設備等。由于提升容器及提升機的結構和原理不同，礦井提升設備可構成不同提升系統，常見的提升系統有：主井箕斗提升系統、副井箕斗提升系統、多繩摩擦提升系統、斜井串車提升系統、斜井箕斗提升系統。

   礦井提升機的系統并非只是上面所提到的提升機部分，還包括潤滑系統、機械傳動系統、觀測和操縱系統、拖動控制和自動保護系統、制動系統、遠程安全監控系統、遠程診斷系統等。

1）潤滑系統：再提升機運行過程中不間斷的給軸承以及齒輪嚙合面壓送潤滑油，保證軸承和齒輪的正常工作。

2）機械轉動系統：由減速器和連軸承器組成。減速器用來減速并傳遞動力；聯軸器用來連接提升機的旋轉部分，并向其傳遞動力。

3）觀測與操縱系統：包括操作臺、深度指示器等裝置。其中深度指示器可以顯示提升容器的所處的深度位置。

4）拖動控制和自動保護系統：包括主拖動電機和微拖動電機、電器控制系統以及由PLC控制的保護系統。

5）制動系統：一般都是液壓制動系統，包括制動器和液壓傳動裝置兩部分。制動系統的功能就是使提升機卷筒剎車，停止提升機的運行，它的可靠性直接關系到提升機的安全運行。制動系統不但需要提升機停車時牢固的閘住提升機卷筒，還需要參與提升機的速度控制，保持提升運行的速度不偏離預設的數值，同時在雙滾筒提升機中，制動系統還被用來調節鋼絲繩的長度。

6）遠程安全監控系統：通過采集提升機控制器的數據，實時進行遠程動態顯示和存儲，可以還原歷史數據，追溯各種故障分析和匯總記錄，也可以結合礦井生產的經驗，進行智能化分析和判斷，對礦井生產數字化有著相當重要的功能。

7）遠程診斷系統：通過和控制器等的遠程實時連接，對于故障發生時，從設備制造商發起的實時診斷顯得十分的重要，該系統支持。

   目前，在國產礦井提升機控制系統中，PLC主要用于處理開關量，以替代老式提升機控制系統中眾多的繼電器、接觸器、復雜的連線以及信號顯示系統，而涉及到提升機安全運行的制動系統中的模擬量和自動調節過程，大多還是通過用半導體器件、運算放大器等可調閘和可控硅動力制動的普通電子模式來處理。使用過程中經常會出現零點漂移、電子元件損壞，并且存在維修及重新調試難、可靠性差等缺點，因而使提升機電控系統的可靠性降低。

現場的信號和控制系統結合成一體，實現礦井提升設備的系統化、智能化。

   遠程安全通訊系統，針對現場礦井提升設備，為了達到工程師在遠程運行保障中心即可實現到現場的程序實時在線診斷、實時觀察現場動作、歷史數據實時積累和分析、通過采集的信息進行預警分析等多方面的需求，系統拓撲圖設計如下：

現場的提升機設備，可以通過有線寬帶或者WIFI無線系統連接到internet網絡，也可以是單獨通過電信或者聯通的3G網絡，通過無線上網的方式，連接到遠程的運行保障中心。

中大型的運行保障中心的配置舉例如下：

現場端如果是通過3G上網，連接的是具有Profinet的西門子的S7-300和Simotion的伺服傳動系統，則需要配置如下：

 

序號	內容	型號	數量
1	遠程安全通訊模塊	SY-RSCM300	1
2	3G移動通訊設備	SY-3G	1
3	攝像頭	SY-CMR	1

 

   該配置，對于提升機可以同時連接1000臺進行實時在線診斷、預警、維護、升級等工作，最大化的節省每一次故障或者調試需要團隊去現場的大量成本，實現信息化、智能化、網絡化，實現數據存儲由遠端中央服務器執行的云計算化，將傳統的工控和IT互聯網真正進行工業化和信息化的完美融合。

   軟件設計是礦井提升機遠程安全監控系統的另一個重要組成部分，是控制策略和方法應用的載體，系統運行和性能的優劣主要取決于軟件設計的應用。

   在該安全通訊系統中，SY-RSCM的軟硬件設計，實現了工業協議進行解析、加密和路由、交換、防火墻等功能，通過公網傳輸的時候，賽遠的專用S-Link協議，是專用于傳輸工業數據的一個穩定、安全的私鑰協議。在運行保障中心，通過SY-RSCM進行核對和驗證，再進行準確的安全的解包，傳遞給目標對象。

   在運行保障中心，對于現場的設備實現數據采集、控制，數據歷史存儲，歷史曲線等常規的組態軟件功能之外，還應該有一套制造執行系統MES，連接工業數據進行分析之后，要傳輸給制造商的企業資源管理系統ERP，進行數據對接，并未完成數據的系統分析，如預警等功能。該MES軟件通常由制造商提出具體需求，再進行具體的分析，進行定制化的服務。

   通過該系統，實現的是針對提升機設備的全生命周期的遠程管理：安裝、預警、調試、故障診斷、升級。

   賽遠的工業遠程安全通訊，完全是自主創新的通訊系統，不同于市面上的MODEM撥號、GPRS等低速連接系統，不同于現場需要電腦進行遠程桌面的方式，不同于固定IP查找對方的方式，具有如下顯著的特點：

·        工程師實時分鐘級的響應，實時運行保障；

·       全球internet覆蓋支持，支持ADSL，VDSL，3G等方式；

·       支持各種工業以太網協議，如Profinet，Ethercat，Ethernet/IP，MODBUS TCP；

·       現場視頻和工業數據一起傳輸；

·       PLC程序級控制，數據OPC采集；

·       數據實時雙向傳輸；

·       架設和配置簡單，高效；

·       最新的賽遠專利安全通訊技術，數據安全和穩定；

·      兩端均不需要固定IP，數據直接點對點連接，無需經過第三方服務器。

   由于需要在公共的internet網絡上傳輸工業協議，針對原有的工業協議，需要進行協議解析，并在公共網絡上進行充分的加密，才可以完成安全的傳輸。

賽遠在公共的網絡上采用的是S-link協議，它綜合了密碼技術和協議安全機制，在IPV4和IPV6環境中，為網絡層流量提供驗證頭（AH）和封裝安全載荷（ESP）兩種安全服務。AH提供數據完整性和數據認證，ESP提供數據的保密性和加密。AH和ESP的數據封裝格式見下圖。

   S-link傳輸協議下的AH、ESP數據封裝格式

通過S-link協議，支持了工業現場總線中的Profinet、Ethernet/IP、MODBUS TCP等協議，可以連接西門子、羅克韋爾、施耐德、歐姆龍、三菱等品牌的控制系統和傳動系統，實現這些協議在互聯網上的安全、穩定的傳輸。

   基于PLC、上位機、變頻器等設備組成的礦井提升設備的控制和傳動工業網絡系統，很好的滿足了礦井提升機的整體聯動和智能化的需求。通過賽遠的具有最新專利工業安全通訊技術的工業遠程系統，國內領先的礦井提升機制造商，已經實現了礦井提升機的遠程采集與集中監控功能，大大降低了安裝、調試、維護、預警成本，并通過該系統建立了礦井提升機設備的全生命周期管理系統，在21世紀，從過去的制造產生利潤，轉型為設計和服務產生利潤，是一個信息化、智能化、網絡化、云計算化帶來的巨大轉變，目前該系統隨著礦井提升機的配套，在國內外均運行效果良好。