基于PLC的煤礦供電測(cè)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李倩倩，夏蓉花，鄧 斌，夏正龍

（1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇徐州 221000；2.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇徐州 221000；3.江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，江蘇徐州 221000）

0 引言

礦井各級(jí)變電所的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響煤炭的安全開采，同時(shí)煤炭的安全開采更是煤礦安全生產(chǎn)的保障[1]。大量資料表明，對(duì)于大多數(shù)煤礦安全事故發(fā)生的根本原因，一方面是對(duì)井下各級(jí)變電所的數(shù)據(jù)無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)致信息互通不及時(shí)；另一方面是對(duì)井下變電所內(nèi)綜保設(shè)備無法集中控制導(dǎo)致設(shè)備管理不統(tǒng)一。隨著國家對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，對(duì)煤礦井上井下各級(jí)變電所進(jìn)行集中化測(cè)控與管理來提高煤礦變電所自動(dòng)化、智能化的程度越來越重要。

實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)變電所的集中測(cè)控，需要搭建一個(gè)覆蓋井上井下各級(jí)變電所的集中管理控制平臺(tái)[2]。一方面是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)井上井下各級(jí)變電所內(nèi)設(shè)備儀表相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)監(jiān)控；另一方面，由于煤礦設(shè)備廠家眾多，很難做到設(shè)備由統(tǒng)一廠家提供，因此變電所內(nèi)微機(jī)綜保設(shè)備會(huì)因生產(chǎn)廠家的不同造成通訊協(xié)議的不統(tǒng)一，不利于實(shí)現(xiàn)各類智能綜保儀表之間的相互通訊，可以利用西門子S7-1500 系列PLC為底層控制器對(duì)不同規(guī)約的智能綜保設(shè)備進(jìn)行編程解析來對(duì)煤礦井上井下各級(jí)變電所各高低壓開關(guān)柜中的電氣參數(shù)進(jìn)行采集處理，實(shí)現(xiàn)在地面中央或區(qū)域集控室對(duì)井下各區(qū)域變電所高低壓的電壓、電流、有功功率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)井下高低壓綜保單元開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)方分合閘操作[3]。

1 研究內(nèi)容與目的

煤礦變電所作為整個(gè)煤礦井上下機(jī)電設(shè)備供電的支柱，其安全運(yùn)行是整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)的保證。因此，開發(fā)一套針對(duì)井上下變電所供電的監(jiān)測(cè)與控制的一體化管理系統(tǒng)尤其重要。

1.1 研究內(nèi)容

設(shè)計(jì)來源于江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，項(xiàng)目研究內(nèi)容主要包括對(duì)變電所二次設(shè)備中高壓柜體內(nèi)部線路改造、高壓柜體內(nèi)部儀表綜保設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造來搭建出一個(gè)集監(jiān)測(cè)與控制一體化的變電所供電管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要基于西門子S7-1500系列可編程邏輯控制器PLC 作為底層中央控制器與智能綜保設(shè)備組成下位機(jī)采集執(zhí)行系統(tǒng)[4]；利用Profinet 總線與Modbus總線混合使用組成新的現(xiàn)場總線模式再結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)組成通訊系統(tǒng)；利用工控機(jī)加Intouch 工業(yè)控制組態(tài)軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理組成上位機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了一套“基于西門子PLC 煤礦變電所監(jiān)測(cè)與控制一體化管理系統(tǒng)”。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目展開，因此需結(jié)合礦方對(duì)于自身實(shí)際需要所提出的一系列要求，因此本課題主要研究方向如下。

（1）針對(duì)礦方變電所內(nèi)一些儀表以及綜保設(shè)備無法與中心控制設(shè)備PLC 進(jìn)行通訊連接的問題，對(duì)礦區(qū)變電所內(nèi)部分儀表以及綜保設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造更換為智能儀表和智能綜保設(shè)備。

（2）針對(duì)礦方設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多導(dǎo)致通訊協(xié)議存在差異無法進(jìn)行通訊的問題，利用西門子TIA軟件對(duì)設(shè)備協(xié)議編程解析設(shè)計(jì)在線規(guī)約解碼器使雙方之間完成互聯(lián)通訊。

（3）針對(duì)礦區(qū)原有上位機(jī)系統(tǒng)中無法兼容下位機(jī)新添子功能可視化的問題，利用Intouch 軟件對(duì)上位機(jī)進(jìn)行“五遙”系統(tǒng)可視化界面設(shè)計(jì)。例如對(duì)變電所柜體內(nèi)部電力參數(shù)、綜保設(shè)備狀態(tài)以及繼保參數(shù)整定等功能實(shí)現(xiàn)可視化；利用MCGS或TIA軟件對(duì)礦井變電所內(nèi)部控制柜內(nèi)觸摸屏進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)變電所可以進(jìn)行就地控制等預(yù)留安全操作。

1.2 研究目的

根據(jù)對(duì)煤礦變電所老舊設(shè)備進(jìn)行硬件升級(jí)換代、變電所柜體接線以及軟件編程方面的升級(jí)改造來設(shè)計(jì)出一套“基于西門子PLC 的礦井變電所供電監(jiān)測(cè)與控制一體化管理系統(tǒng)”，目的是提高煤礦供電安全可靠性、輸電質(zhì)量與效率，減少煤礦變電所運(yùn)維成本，保障礦區(qū)人員安全，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的煤礦井下各區(qū)域變電所無人值守功能。

2 系統(tǒng)概述

基于PLC 的煤礦變電所供電監(jiān)測(cè)與控制一體化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)按照3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要為管理層、控制層與操作層。其中，管理層是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分，主要包括各個(gè)功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器與上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如實(shí)現(xiàn)遙視功能的視頻服務(wù)器、實(shí)現(xiàn)煤礦外部監(jiān)測(cè)與控制的WEB 服務(wù)器等。控制層是整個(gè)系統(tǒng)的核心層，主要是對(duì)各個(gè)分區(qū)變電所的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸以及對(duì)上位機(jī)發(fā)出指令的傳達(dá)等功能，此層穩(wěn)定快速的運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。操作層處于系統(tǒng)的最底層是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括一些智能儀表、智能綜保單元、傳感器以及視頻監(jiān)視器等設(shè)備，其主要功能是對(duì)變電所內(nèi)電流、電壓、功率因數(shù)等電參數(shù)以及煤礦壓風(fēng)機(jī)油溫、綜保開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集；對(duì)集控室下達(dá)的開關(guān)分合、數(shù)據(jù)整定等指令的執(zhí)行。

圖1 基于PLC煤礦變電所供電一體化監(jiān)測(cè)與控制整體結(jié)構(gòu)圖

3 通訊系統(tǒng)概述

根據(jù)煤礦用電量大、供電安全性要求較高等特殊性將礦區(qū)變電所分為井上變電所和井下變電所，井下變電所又包括井下中央變電所以及各采區(qū)變電所等，因?yàn)槠渥冸娝N類繁多加上井下設(shè)備工作的要求機(jī)器啟停頻繁容易造成諧波，對(duì)礦井變電所通訊系統(tǒng)的可靠性要求極高[6]。礦井變電所通訊總線的選擇決定變電所通訊系統(tǒng)的質(zhì)量，通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于礦井供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙視“五遙”功能的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

3.1 通訊總線選擇

現(xiàn)場總線是指將現(xiàn)場設(shè)備與集控室內(nèi)控制單元等之間進(jìn)行互連的數(shù)據(jù)總線，又被稱為自動(dòng)化工業(yè)控制領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，是一種數(shù)字化、多點(diǎn)通信、多分支的底層控制網(wǎng)絡(luò)[7]。對(duì)于現(xiàn)場總線的選擇需要從適用程度出發(fā)，要根據(jù)工程功能的不同選擇不同類型的現(xiàn)場總線，根據(jù)本系統(tǒng)中傳輸范圍廣、傳輸實(shí)時(shí)性要求較高以及電磁干擾較強(qiáng)等因素，選擇RS-485總線結(jié)合Profinet總線的現(xiàn)場總線模式。

3.2 RS-485總線簡介

RS-485 接口接線有兩種方式，分為兩線制和四線制，其中四線制接線只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，因其局限性現(xiàn)很少采用，多采用兩線制接線方式，此接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。RS-485通信傳輸是一種串行的主從方式，在系統(tǒng)設(shè)備組成的一個(gè)環(huán)網(wǎng)中每個(gè)設(shè)備都有唯一的地址，但其中只有一個(gè)主機(jī)設(shè)備能夠建立協(xié)議，一般為PC 機(jī)或PLC 等終端設(shè)備，其他的設(shè)備為從機(jī)，只能根據(jù)主機(jī)發(fā)出的查詢做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作[8]。RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

表1 RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表

設(shè)計(jì)借助以太網(wǎng)的CSMA/CD 協(xié)議方法采用總線偵查的方式，在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先對(duì)總線偵查是否有節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若有，則等待；若沒有，則向總線發(fā)送申請(qǐng)幀。終端設(shè)備使用的接口通常是RS-232 串行通信接口需要借助RS-232 轉(zhuǎn)RS-485 的轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)中所使用終端設(shè)備為西門子S7-1500系列PLC，因此所使用的轉(zhuǎn)換器為西門子公司自主研制的連接器。RS-485 總線接線方式結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 RS-485總線接線方式結(jié)構(gòu)框圖

3.3 Profinet現(xiàn)場總線

Profinet 是德國西門子公司推出的一種在以太網(wǎng)與profibus之間全開放的通訊協(xié)議，是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動(dòng)化現(xiàn)場總線。Profinet 在提出時(shí)提供了與各種現(xiàn)場總線進(jìn)行互連的接口，可以做到將現(xiàn)有現(xiàn)場總線到基于以太網(wǎng)Profinet 總線的轉(zhuǎn)換。根據(jù)響應(yīng)時(shí)間的不同Profinet 可以分為TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)通訊、實(shí)時(shí)RT 標(biāo)準(zhǔn)通訊以及同步實(shí)時(shí)IRT 標(biāo)準(zhǔn)通訊3種通訊方式。TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議是目前網(wǎng)絡(luò)通訊中使用最為基本的通訊協(xié)議，其響應(yīng)時(shí)間在0.1 s 左右，完全能滿足絕大多數(shù)工業(yè)設(shè)備的控制[9]。

系統(tǒng)考慮到煤礦現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家混雜造成每個(gè)設(shè)備通訊協(xié)議不同，且不同通訊協(xié)議想要統(tǒng)一集成難度較大，考慮是否可將現(xiàn)場設(shè)備通訊協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Profinet 協(xié)議，通過煤礦光纖環(huán)網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理各級(jí)變電所。結(jié)合上述情況以及從可靠性和最大限度節(jié)約成本的條件出發(fā)本系統(tǒng)選擇采用Profinet總線與RS-485總線混合使用。在各級(jí)變電所內(nèi)通訊分站與智能儀表和綜保設(shè)備之間選用RS-485總線，各通訊分站與主站之間選用實(shí)時(shí)RT標(biāo)準(zhǔn)的Profinet現(xiàn)場總線。現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Profinet與RS-485結(jié)合現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)圖

4 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦變電所測(cè)控平臺(tái)下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩大部分。根據(jù)礦方提出安全可靠、高效智能的理念對(duì)變電所內(nèi)部硬件系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集、傳輸設(shè)備進(jìn)行更替改造，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行性能提高、編程優(yōu)化等方面的升級(jí)改造以實(shí)現(xiàn)礦方所提性能要求。

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦變電所一體化測(cè)控與管理系統(tǒng)為主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，井下變電所可以看作主系統(tǒng)的通訊分站子系統(tǒng)。隨著煤礦自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)的要求不斷提高，各煤礦對(duì)于井下變電所的建設(shè)提出嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，具體在井下變電所對(duì)信息采集實(shí)時(shí)性、可靠性以及大量信息傳輸方面提出要求。課題在煤礦井下變電所原有基礎(chǔ)上結(jié)合礦方提出的性能指標(biāo)要求，對(duì)井下變電所進(jìn)行改造升級(jí)建設(shè)。井下變電所主要功能便是信息的采集與傳輸，此處對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與傳輸主要是西門子PLC與各類智能儀表[10]。煤礦井下變電所下位機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。具體設(shè)備選型如表2所示。

圖4 煤礦供電下位機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 煤礦變電所管理平臺(tái)下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)備選型表

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是整個(gè)變電所測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)，實(shí)現(xiàn)煤礦井上、下供電一體化測(cè)控與管理平臺(tái)建設(shè)的核心工作在于PLC 測(cè)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)；硬件系統(tǒng)電路功能的正常運(yùn)行需要借助軟件的控制，因此測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)非常重要。軟件系統(tǒng)發(fā)出指令到硬件系統(tǒng)，雙方協(xié)同完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸，同時(shí)軟件系統(tǒng)還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、對(duì)結(jié)果進(jìn)行控制輸出等功能[11]。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題：（1）程序設(shè)計(jì)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)模塊化方式，便于調(diào)試、修改和移植等；（2）程序設(shè)計(jì)應(yīng)注意合理分配控制器系統(tǒng)資源，防止不必要的存儲(chǔ)空間占用，提高軟件系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

根據(jù)項(xiàng)目集控原則與硬件設(shè)備技術(shù)要求，測(cè)控軟件在西門子公司TIA Portal V15 博途環(huán)境下使用STL語言與LAD語言結(jié)合的方式進(jìn)行編程，STL語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理快速準(zhǔn)確，LAD 語言進(jìn)行結(jié)果調(diào)用簡潔方便。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

基于西門子PLC 變電所測(cè)控系統(tǒng)的主程序主要包括以下幾個(gè)模塊化程序：PLC 初始化程序模塊、PLC自檢程序模塊、高低壓綜保單元與智能儀表之間通訊協(xié)議解析程序模塊等。首先，上電啟動(dòng)PLC，其內(nèi)部監(jiān)視定時(shí)器啟動(dòng)PLC 進(jìn)行自檢，若自檢正常繼續(xù)執(zhí)行來自外設(shè)的命令，若自檢不能正常運(yùn)行則會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示，對(duì)報(bào)警原因進(jìn)行自查，若自檢原因?yàn)殄e(cuò)誤則跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器命令，若自檢原因?yàn)榫鎰t繼續(xù)執(zhí)行來自外設(shè)的命令。每次執(zhí)行主程序之前需要執(zhí)行一次初始化程序，初始化完成后調(diào)用執(zhí)行對(duì)高壓綜保協(xié)議進(jìn)行解析的程序塊，執(zhí)行完畢后會(huì)進(jìn)行一個(gè)中斷時(shí)間檢測(cè)，若到達(dá)中斷時(shí)間進(jìn)行一次統(tǒng)一校時(shí)命令，若不到達(dá)中斷時(shí)間則繼續(xù)調(diào)用執(zhí)行對(duì)低壓綜保設(shè)備協(xié)議進(jìn)行解析的程序塊[13]。對(duì)高低壓綜保協(xié)議解析程序執(zhí)行完畢后，對(duì)輸出進(jìn)行刷新執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)，接著復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行上述程序。

在PLC 主程序中編寫一個(gè)主程序執(zhí)行時(shí)間監(jiān)測(cè)程序模塊，這個(gè)程序模塊主要用來檢測(cè)PLC 程序執(zhí)行時(shí)間來辨別PLC 與其他設(shè)備之間是否通訊正常，如果出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象，為了防止PLC出現(xiàn)死機(jī)，會(huì)執(zhí)行錯(cuò)誤復(fù)位重啟監(jiān)視定時(shí)器或者給出報(bào)警提示動(dòng)作[14]。因?yàn)橹鞒绦虻膱?zhí)行時(shí)間與程序的復(fù)雜程度對(duì)PLC 本身性能有很大要求，此系統(tǒng)程序中包含多個(gè)高低壓綜保單元與智能儀表數(shù)據(jù)較多，因此設(shè)定此程序執(zhí)行時(shí)間為0.2 s。若PLC自檢執(zhí)行時(shí)間沒有出錯(cuò)，PLC會(huì)響應(yīng)使用用戶的要求與通訊總線上的高低壓綜保單元和智能儀表進(jìn)行通訊，執(zhí)行相應(yīng)的檢測(cè)與控制功能。執(zhí)行主程序時(shí)，PLC的CPU根據(jù)令牌碼進(jìn)行站點(diǎn)輪詢，按照功能碼切換準(zhǔn)則判斷出相應(yīng)的邏輯要求，跳出主程序調(diào)用令牌指令對(duì)應(yīng)的子程序功能塊完成相應(yīng)的功能，當(dāng)執(zhí)行完子程序功能塊后返回到跳出點(diǎn)繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行接下來的程序。遙測(cè)仿真實(shí)時(shí)DB塊數(shù)據(jù)如圖6所示。上位機(jī)監(jiān)測(cè)如圖7所示。

圖6 遙測(cè)仿真實(shí)時(shí)DB塊數(shù)據(jù)圖

圖7 上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)目前煤部分老舊礦中井下變電所內(nèi)供電設(shè)備的智能化程度不高導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸以及變電所子系統(tǒng)眾多（例如：機(jī)組DCS 子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)等）導(dǎo)致接口混雜難以實(shí)現(xiàn)集中管理與監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，開發(fā)一套煤礦變電所遠(yuǎn)程測(cè)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各級(jí)變電所設(shè)備升級(jí)改造后的智能儀表與綜保裝置采集變電所供電設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)與電參數(shù)經(jīng)過PLC進(jìn)行對(duì)應(yīng)的解析處理后通過礦井光纖環(huán)網(wǎng)傳輸給地面中央集控室中的上位機(jī)系統(tǒng)中，由上位機(jī)系統(tǒng)相關(guān)軟件對(duì)采集到的各級(jí)變電所數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化處理[15]，最終實(shí)現(xiàn)地面集控室對(duì)井下各級(jí)變電所運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)出集遙測(cè)、遙調(diào)、遙信、遙控、遙視的“五遙”功能煤礦供電測(cè)控與管理平臺(tái)。