一种掘进皮带一体化电控装置的数据通信方案分析

张战国

（天地（常州）自动化股份有限公司，江苏常州213015）

0 引言

掘进机工作环境复杂、恶劣，控制任务繁琐、要求严格[1]。掘进巷道内工作线长、机械设备多[2]，掘进皮带负责将矸石运出巷道，掘进皮带的电气部分包括动力系统和电控系统两个主要组成。矿用组合开关具有简化电缆连接、减少占地面积、减少供电线路的电压降损耗、提高生产效率等优点[3]，因而其在掘进皮带动力系统中的应用越来越广泛。而PLC由于具有性能稳定、抗干扰性强、编程灵活等特点[4]，在带式输送机控制系统和工作面通信控制系统中广泛应用。掘进皮带的电控系统大多都是采用PLC作为控制核心，同时配备数据通信网关，与皮带沿线的拉绳闭锁装置进行通信。

现有的掘进皮带应用中，组合开关和电控系统是完全独立的，两者通过硬接线或现场总线进行联系，在掘进巷道中是分别布置的，这种方式存在以下两个问题：

（1）占用空间较多，使巷道更加拥挤；

（2）组合开关中有PLC和显示屏，电控系统中也有PLC和显示屏，其功能本可以合并，但却在两套系统中各有设置，提高了成本。

为解决以上问题，设计了一种一体化的电控装置，将电控系统的皮带机头控制部分放入组合开关，电控系统与组合开关共用同一个PLC和显示屏，以减少皮带机头占用的空间，也能节省成本。这种方案的关键是重新设计电控装置内部的通信方案，保证通信稳定高效。本文主要介绍一体化电控装置数据通信方案的设计。

1 现有动力系统数据通信方案

现有组合开关的数据通信方案如图1所示。

图1 组合开关数据通信方案

动力系统网关中包含有各个回路的数据，例如电压、电流、隔离开关状态等。显示屏通过RS485接口读取动力系统网关中的数据，向用户进行展示，同时用户可以通过显示屏对回路的参数进行设定。动力系统的PLC通过RS485接口从网关中读取数据，PLC根据各个回路的状态对回路的开关进行控制，同时可以实现多回路联动的逻辑。上位机通过RS845接口连接PLC，上位机可以是地面集控系统，也可以是掘进皮带电控系统。

这种方案存在的主要问题是PLC实现了数据转发的功能，上位机想要读取回路数据，必须通过PLC进行转发。PLC是可编程控制器，逻辑控制是其核心功能，在数据量大的情况下，让其做数据转发的工作会影响其逻辑处理的响应速度，对系统的稳定性构成威胁。

2 现有电控系统数据通信方案

现有掘进皮带电控系统的数据通信方案如图2所示。

图2 掘进皮带电控系统通信方案

电控系统网关连接掘进皮带沿线的拉绳闭锁开关和传感器，拉绳闭锁开关的数量、状态和各种传感器的数据通过CAN总线传输到网关。电控系统的PLC通过RS485接口从网关中读取掘进皮带沿线的数据。显示屏通过以太网接口从PLC读取数据，实现人机交互。电控系统中设置有交换机，可以扩展一路网口，此路网口用于连接上位机，上位机是指井下集控系统或地面集控系统。

掘进皮带沿线主要包含拉绳闭锁开关和各种传感器，这些数据涉及到皮带的急停，事关安全，所以需要较高的实时性。在各种现场总线中，CAN总线具有较好的实时性，因此，多数皮带电控系统的沿线传输采用CAN总线。CAN总线是一种多主结构，总线上的节点按照时间先后获得总线控制权，当有多个节点同时发送数据时，采用基于数据帧优先级的无损仲裁方法，确保实时性要求高的数据优先发出。在总线空闲的时候，任何一个节点都可以发起数据，这相对于主从轮询结构的总线，拉绳闭锁开关或传感器的数据能在更短的时间内传输到掘进机头。多数PLC具有RS485接口，但并不具有CAN总线接口，因此在电控系统中设计有网关，实现CAN总线数据到RS485数据的转换。

这种方案存在的主要问题依然是PLC实现了一个数据转发的功能，加重了PLC的负荷，不利于控制逻辑的稳定。PLC的优势在于逻辑控制而非数据处理，因此，用PLC做数据转发是电控系统中的一个不稳定因素。相对于PLC，显示屏具有更强的数据处理能力，完全可以由显示屏实现数据转发，这是电控系统可以改进的地方。

3 一体化电控装置的数据通信方案

掘进皮带一体化电控装置是将电控系统机头部分的组件放入组合开关中，可以节省一部分外壳成本，同时动力系统和电控系统共用PLC和显示屏，优化内部通信方案，使通信更加简洁高效。保留原有电控系统的PLC和显示屏，其具有更丰富的通信接口。

一体化电控装置的数据通信方案如图3所示，其特点如下：

（1）电控系统网关上增加1路RS485接口，同时增加1路RS232-RS485转换器，实现显示屏通过RS232接口与电控系统网关通信；

（2）电控系统PLC通过RS485接口与动力系统网关连接，读取必要的组合开关回路控制数据；

（3）电控系统PLC通过RS485接口与电控系统网关连接，读取与皮带启停、急停相关的数据；

（4）显示屏可以与动力系统网关和电控系统网关直接通信，无需通过PLC进行数据转发；

（5）显示屏将一体化电控装置中的所有数据进行汇集，并通过以太网接口连接上位机。

这种方案中，原有系统大部分硬件无需改动，仅在电控系统网关增加1路RS485接口和1个RS232-RS485转换器。PLC只做逻辑控制，只通过RS485读取跟控制相关的数据，显示屏负责数据汇集及转发，PLC和显示屏都很好地发挥了各自的优势，通信流程更加清晰，通信效率更高。

4 结语

图3 一体化电控装置的数据通信方案

掘进皮带一体化电控装置可以减少掘进皮带巷的设备数量，降低系统成本，节省布局空间，而数据通信方案是实现一体化的关键部分。本文介绍了现有皮带电控系统和组合开关的数据通信方案存在的问题，阐述了一体化电控装置数据通信方案的特点，对比分析可知，一体化电控装置的数据通信方案组件更简洁、功能划分更清晰合理、通信效率更高。此方案的效果已在实际应用中得到验证，对于组合开关和皮带电控系统的设计具有一定的参考意义。