一、 项目背景
滇南铜矿 2024 年扩建的 3# 主斜井，皮带机全长 3 200 m、带宽1800 mm、最大带速 5.6 m/s、驱动功率 3×800 kW，是目前国内单驱功率最大的井下胶带机之一。业主在 2025 年大修中把原 AB ControlLogix 系统整体替换为西门子 S7-1500H 冗余 PLC（CPU 1517H-3 PN，订货号 6ES7 517-3FP00-0AB0），以统一全矿 Profinet 环网。但现场 28 台丹佛斯 FC-051 系列变频器（功率 90 kW～400 kW）仍沿用 2018 年投运的 DeviceNet 总线，形成“新主站+旧从站”的协议孤岛。若全部更换变频器通讯板，需追加成本 120 万元，且井下 48 h 停井窗口无法完成。最终，矿方选用“远创智控 YC-DNTM-PN”协议转换网关，让 1500H PLC 通过 ProfiNet 即可直接管理所有 FC-051，实现“零拆线、零换板”平滑过渡。
二、关键设备一览
1. 主控 PLC：西门子 S7-1500H，CPU 1517H-3 PN，TIA Portal V18 组态
2. 变频器：丹佛斯 FC-051，共 28 台，功率 90 kW×12、160 kW×8、400 kW×8
3. 协议网关：远创智控 YC-DNTM-PN工业级协议转换网关
4. 附件：
– 西门子 SCALANCE XC208 工业交换机（ProfiNet 环网冗余）
– 丹佛斯 MCA 114 通讯卡（内置 DeviceNet 接口，Baud 500 kbps）
– DeviceNet 干线电缆 Belden 3082A，终端电阻 120 Ω/0.25 W
– 24 VDC 电源 菲尼克斯 QUINT-PS/1AC/24DC/20，冗余并联
三、网络拓扑与安装细节
1. ProfiNet 侧
两台 1517H 与 YC-DNTM-PN协议转换网关通过 M12-D 编码千兆网线接入 SCALANCE 环网；网关作为第 17 号从站，设备名“DNTM_GW”，IP 地址 192.168.100.17，更新周期 4 ms，帧长度 1440 Byte。
2. DeviceNet 侧
采用“干线—支线”总线型结构：
– 干线长 180 m，由 6 段 Belden 3082A 拼接，屏蔽层在电源侧单端接地；
– 28 台 FC-051 以“手牵手”方式并入干线，节点地址 10～37（十进制），支线 ≤ 1 m；
– 在物理末端（第 28 台变频器）内置 120 Ω 终端电阻，并在 YC-DNTM-PN 的 DN 接口侧通过拨码开关再并 120 Ω，确保反射系数 ≤ 0.05。
3. 接地与防雷
网关与皮带机钢构之间用 16 mm² 黄绿线单点接地，接地电阻 0.38 Ω；24 VDC 侧加 TRABTECH 2800647 电涌保护器，实测 4 kV 脉冲下残压 35 V，满足矿用 3 kV 绝缘要求。
四、YC-DNTM-PN协议转换网关配置步骤
1. GSDML 导入
在 TIA Portal V18 中导入厂家提供的 GSDML-V2.37-YC-DNTM-PN.xml，自动识别 128 Byte Input / 128 Byte Output，支持 I&M0-4 标识与维护记录。
2. 数据映射
根据丹佛斯 FC-051 EDS 文件（版本 1.10），在网关配置软件“YC-GateManager”中建立 28 个 Poll 连接，每条 12 Byte（4 Byte 频率设定值 REAL + 4 Byte 实际频率 REAL + 2 Byte 电流 UINT + 1 Byte 状态字 + 1 Byte 故障字）。
映射结果：
– Input（PLC 读）
偏移 0～11：节点 10（1# 机）
偏移 12～23：节点 11（2# 机）
…
偏移 324～335：节点 37（28# 机）
– Output（PLC 写）
同上顺序，仅映射频率设定值 4 Byte。
3. 故障预警
启用网关内置 Lua 脚本：
– 当任意节点 Fault 字≠0 时，置位 ProfiNet 输入第 127 Byte Bit0，触发 1500H CPU 调用 OB82 诊断中断；
– 当节点失连 500 ms，自动重发 Pre-Define 报文 3 次，仍失败则置位对应 Bit1，同时把现场摄像头截图通过 MQTT 推送到集控室。
五、PLC 程序开发要点
1. 硬件配置
在 TIA 中新建“DNTM_GW”设备，拖入 16 槽 I/O 模块，定义总长度 336 Byte Input / 336 Byte Output，循环时间 4 ms。
2. 数据块
建立 DB500“BeltDrive”，数组结构 ARRAY[1..28] OF “typeFC051”，包含 SetFreq、ActFreq、ActCurr、Status、Fault 五个成员。
3. 启停顺控
采用“逆煤流启动、顺煤流停机”原则：
– 启动时，PLC 先通过 ProfiNet 逐台写入 5 Hz，再按 2 Hz/s 斜坡升至 30 Hz；
– 停机时，频率按 1 Hz/s 降到 5 Hz，再发“Coast Stop”位，确保 180 s 内皮带完全静止。
4. 冗余切换
当 1517H-CPU1 与网关通讯中断 100 ms，系统自动切换至 CPU2，YC-DNTM-PN 支持“无缝重命名”，切换期间 DeviceNet 不重启，28 台变频器零速保持，避免堆煤压带。
六、调试与性能验证
1. 通讯延时
用 Wireshark 抓包，ProfiNet 帧 4 ms，DeviceNet Poll 周期 4 ms，总环回延时 6.8 ms，远小于设计值 20 ms。
2. 带载试验
皮带机空载→50% 载→110% 载，连续运行 72 h，记录 9.6×10⁷ 帧，丢包 0，CPU 负载最大 38%，网关外壳温度 52℃。
3. 故障模拟
– 人为拔掉节点 20 变频器支线，网关 0.2 s 内触发“Node Missing”报警，PLC 收到诊断后自动降速至 20 Hz；
– 在 24 VDC 侧施加 ±2 kV EFT，ProfiNet Link 无掉线，符合 IEC 61000-4-4 A 级。
七、经验总结
1. 老矿山升级，不必“一刀切”淘汰 DeviceNet 设备，一只 YC-DNTM-PN工业级协议转换网关即可把“旧从站”纳入新 Profinet 环网；
2. 井下环境粉尘大、震动强，网关必须选金属壳体、-25 ℃～+70 ℃宽温、IP30 以上防护，远创智控该款完全满足；
3. 变频器节点地址务必连续，支线长度控制在 1 m 内，否则 500 kbps 下反射严重，易造成“鬼影”离线；
4. 充分利用网关内置脚本，把“报警-拍照-推送”做成边缘一体，可让地面集控室第一时间看到现场画面，平均故障定位时间由 30 min 缩短到 5 min。
