基于S7-1500R 冗余技術的瓦斯抽采監控系統設計

王祖迅，程玉龍

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯的根本性措施[1]，《煤礦安全規程》規定在高瓦斯及瓦斯突出礦井必須建立地面永久性抽采瓦斯系統或井下臨時抽采瓦斯系統，利用抽采泵、循環水泵、冷卻塔、電動閥、水封阻火器等設備，通過抽采管網連接到井下抽采鉆孔，利用抽采泵的工作特性，將井下煤層中賦存的瓦斯氣體輸送至地面進行瓦斯發電利用或排空，減少煤礦井下災害事故的發生，并為瓦斯抽采系統配備相應的瓦斯抽采監控系統。部分煤礦根據國家安全監管總局開展的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，正在逐步推進瓦斯抽采泵站無人值守系統的建設，用變頻器、PLC、電動閥、傳感器等設備替代傳統的人工檢測和操作，減輕工人勞動強度，提高煤礦的自動化、智能化水平。目前的瓦斯抽采監控系統中，對抽采設備的監控大部分采用單PLC 控制器作為核心控制單元，存在缺陷在單PLC 控制器出現故障時，將導致監控系統無法對瓦斯抽采系統進行監測和控制，嚴重時造成抽采泵停機，影響瓦斯抽采系統的正常運行，使煤礦瓦斯抽采效率下降，井下生產存在安全隱患等；為了解決該問題，設計了一種基于S7-1500R 冗余技術的瓦斯抽采監控系統，通過對S7-1500R PLC 的硬件冗余設計和軟件開發，實現了對瓦斯抽采系統進行全方位監測監控。

1 瓦斯抽采監控系統組成

系統主要由計算機、交換機、PLC 控制柜、監控分站、智能儀表、溫度、壓力、濃度、流量、液位等各類傳感器組成[2-3]。計算機主要用于數據庫、組態軟件的安裝和運行；交換機主要負責構建下位機和上位機實時信息的交互通道；各類傳感器主要負責檢測抽采系統的溫度、壓力、濃度、流量、液位等參數；監控分站主要對傳感器提供本安電源和采集傳感器數據；PLC 控制柜實現抽采系統的遠程集中控制的核心單元，主要負責與監控分站和智能儀表進行數據交互，采集監控分站和智能儀表的數據，并根據采集的數據自動控制和調節抽采泵、水泵、冷卻塔、變頻器等設備。

2 冗余系統

冗余系統是指在PLC 不允許停機的系統設計中，通過增加CPU、電源等模塊，形成數字化孿生“雙胞胎”，當主CPU 遇到故障停止工作，備用CPU自動投入工作，從而提高PLC 系統的可靠性。目前瓦斯抽采監控系統中PLC 設計主要采用西門子S7-1200、S7-300、S7-1500 系列的單PLC 控制器作為核心控制單元，該系列的PLC 控制器基本可以滿足抽采系統中的數據采集及控制，但該系列PLC 不具備冗余功能，處于單機工作模式，當PLC 出現故障導致CPU 停機，監控系統將處于失控狀態，因此需要對PLC 系統進行冗余設計選型，提高PLC 控制柜的可靠性。

2.1 CPU 冗余

在冗余系統設計中，有硬件冗余控制功能的PLC控制器主要有西門子的S7-400H、S7-1500R 系列PLC 和羅克韋爾自動化的Controllogix 系列PLC[4-8]。由于S7-1500R 系列PLC 控制器推出比較晚，早期主要是采用S7-400H 和Controllogix 做冗余控制，3種冗余控制器典型冗余系統架構如圖1。

圖1 冗余系統架構圖Fig.1 Redundant system architecture diagram

1）S7-1500R 冗余控制系統由電源模塊和CPU控制器模塊組成。CPU 控制器模塊自帶以太網接口，2 個CPU 控制器間通過以太網進行同步，通過Profinet 網絡與遠程I/O 站點通訊，通過工業以太網與上位機通訊，形成Profinet 冗余網絡，系統組網簡單，成本便宜。

2）S7-400H 冗余控制系統由電源模塊和CPU控制器模塊組成。CPU 控制器模塊上帶以太網接口、DP 總線接口和光纖同步接口，2 個CPU 控制器間采用光纖進行同步，同步時間快，CPU 通過PROFIBUS-DP 總線與遠程I/O 站點通訊，形成DP冗余網絡，通過工業以太網與上位機通訊，但需要專用的CP1623 以太網通訊卡，在上位機上做容錯連接，需要額外的軟件授權，響應速度快，價格昂貴。

3）Controllogix 冗余控制系統由電源模塊、CPU控制器、上位機通訊模塊、光纖同步模塊、下位機通訊模塊組成。2 個CPU 控制器間通過同步模塊采用光纖進行同步，上位機和下位機通訊均采用工業以太網，響應速度快，價格昂貴。

根據瓦斯抽采監控系統的特點，從系統組網、切換響應速度、系統成本等方面綜合考慮，本次設計選擇S7-1500R 系列的S7-1515R 控制器作為瓦斯抽采監控系統的冗余控制器。

2.2 電源冗余

在PLC 控制系統中直流24 V 電源主要負責給PLC 模塊和傳感器供電，是PLC 控制系統工作的前提條件，因此有必要對電源進行冗余設計。直流24 V 冗余電源如圖2。

圖2 直流24 V 冗余電源Fig.2 DC 24 V redundant power supply

冗余電源由2 路PSU100S 開關電源和1 個PSE202U 冗余模塊組成，。其工作原理如下：正常工作時，第1 路電源和第2 路電源均同時帶電，冗余電源模塊連續監測2 路電源進線并進行饋電，當某1路電源斷電時，冗余電源模塊將自動進行切換，由另1 路電源完全接管直流24 V 電源繼續向模塊和傳感器供電，不管是第1 路電源或者第2 路電源發生故障時，均不會影響24 V 電源的輸出。要求第1 路電源和第2 路電源分別來自不同的供電回路或UPS電源，保證供電回路始終有一路處于正常狀態。

2.3 通訊接口冗余

在瓦斯抽采監控系統中監測參數多，大量使用振動分析儀、智能電量儀、溫度巡檢儀、流量計等智能儀表來監測抽采泵的振動、溫度、電流、電壓、供水流量等參數，每一個智能儀表均攜帶設備大量數據信息，通過RS485 總線與PLC 進行數據交互[9]，如果在運行中出現通訊中斷，將影響PLC 程序的判斷和執行，因此在系統中采用雙路RS485 通訊口進行冗余設計，RS485 冗余通訊如圖3。

圖3 RS485 冗余通訊Fig.3 RS485 redundant communication

現場智能儀表同時與2 個RS485 通訊模塊進行通訊，正常工作時第1 個通訊模塊工作在主站模式，以輪詢方式不斷與現場的振動分析儀、智能電量傳感器、溫度巡檢儀、流量計等智能儀表通訊，第2個通訊模塊工作在監聽模式。當第1 個通訊模塊出現故障時，第2 個通訊模塊在輪詢的時間間隔內監聽不到總線上有數據傳輸，內部程序自動將第1 個訊模塊設置為監聽模式，第2 個通訊模塊設置為主站模式，接替第1 個模塊自動發送輪詢命令和接收智能儀表回發的數據，從而保證智能儀表與PLC 始終能夠正常通訊，同時提示第1 個RS485 模塊有錯誤。

3 S7-1500R 系統冗余組態

通過博途軟件V16 及以上版本對S7-1500R 冗余系統進行硬件組態[10]，S7-1500R 博途組態界面如圖4。

圖4 S7-1500R 博途組態Fig.4 S7-1500R Portal configuration

在組態中需要成對的添加和刪除CPU，添加后博途軟件會自動為CPU 的每個PROFINET 接口分配1 個IP 地址，也可以手動分配IP 地址，但是2 個CPU 之間用于PROFINET 環網的接口IP 地址必須位于同一個子網中，否則無法進行通信。除了設置各CPU 的設備IP 地址外，還需要為冗余系統分配系統IP 地址，這樣其他設備就可以通過系統IP 地址與冗余系統的主CPU 進行數據交換，并且可以確保在冗余系統的主CPU 發生故障后，可以與備用CPU 進行數據通信。添加好CPU 后，在PROFINET 網絡中添加遠程I/O 接口模塊，在接口模塊機架中添加系統所需的I/O 模塊。

在S7-1500R 冗余系統中，每個CPU 都有1 個冗余ID（Identity），并且僅當2 個CPU 的冗余ID 不同時，才能實現冗余操作，一般設置冗余ID 的值為1 和2。首次調試時2 個CPU 的冗余ID 在默認狀態下均為1，可以通過CPU 上的顯示屏分配冗余ID，首先將冗余系統中2 個CPU 相互連接且獨處于Stop 操作狀態，然后啟動要為其分配冗余ID 的CPU，最后在該CPU 的顯示屏上，在選擇菜單命令“概述> 冗余”（Overview>Redundancy），為該CPU 分配冗余ID 為2，分配冗余ID 后重新啟動CPU。在項目樹中分配冗余ID 為1 的CPU 處于主機，冗余ID為2 的CPU 處于備機。

4 PLC 程序和上位機軟件及系統功能

4.1 PLC 程序

PLC 程序采用西門子博途軟件進行開發，在主程序OB1 中對子程序自上而下循環調用，程序流程如圖5。

圖5 PLC 程序流程圖Fig.5 PLC program flow chart

PLC 主程序由參數初始化子程序、通訊子程序、數據采集子程序、控制子程序、報警子程序、聯動子程序等子程序組成。參數初始化子程序對系統控制參數、報警參數、斷電參數進行初始化；通訊子程序對RS485 通訊口進行配置，輪詢發送智能儀表的巡檢命令，接收和處理來自智能儀表的數據；采集子程序對現場開關量、模擬量進行采集和處理；控制子程序對抽采泵、電動閥、循環水泵、冷卻塔等設備進行一鍵啟動、一鍵停止、自動輪換等操作；報警子程序對通訊和采集過來的數據與設定值進行比較，當超過設定值時發出聲光報警；聯動子程序對采集的數據進行分析處理，根據數值處理結果自動對抽采泵、循環水泵、電動閥、冷卻塔等設備進行自動控制操作和保護。

4.2 上位機軟件

上位機設置主機和備機，當主機出現故障時自動切換到備機工作，實現雙機熱備。上位機軟件以WinCC 作為研發平臺進行二次開發[11-12]。WinCC 提供了大量的控件，并且支持VBS 腳本語言和標準的C 語言，二次開發簡單。軟件主要對圖形界面、數據查詢、實時報警、歷史報警、實時曲線、歷史曲線、報表查詢、操作記錄和用戶管理等功能模塊進行設計。通過對各個子功能模塊的開發，形成了一套從數據生成到數據組織、存儲、查詢、分析等功能完整的體系框架，實現抽采系統動態展示、數據監測與存儲、故障報警和報表打印、設備控制和調節等功能，最終達到監測監控瓦斯抽采系統的目的。

4.3 系統功能

系統具有在線監測瓦斯抽采管道中瓦斯體積分數、一氧化碳體積分數、壓力、溫度、工況混合流量、壓差等管道參數監測功能；具有在線監測抽采泵的軸承溫度、工作壓力（正壓、負壓或真空度）、供水狀態（缺水或水流量）、振動、運行狀態等工況參數監測功能；具有在線監測電機的軸承溫度、三相繞組溫度、振動、電壓、電流、功率等電機參數監測功能；具有在線監測冷、熱循環水池的水位、水溫、循環水泵運行狀態等循環水參數監測功能；在線監測抽放泵房、管道間、值班室等重要場所瓦斯體積分數、一氧化碳體積分數、溫度等環境參數監測功能；能夠自動控制抽采泵、循環水泵、冷卻塔、電動閥、排風扇、照明等設備進行一鍵啟停、一鍵輪換、故障聯動等。

5 結 語

設計了一種基于S7-1500R 冗余PLC 的瓦斯抽采監控系統，系統能夠采集抽采系統的管道參數、工況參數、供水參數、環境參數等數據，并對采集的數據進行分析處理，實現抽采泵站的一鍵啟停、自動倒機等自動控制和無人值守工作模式。通過對系統的CPU、電源、RS485 通訊口等關鍵部件進行冗余設計，有效提高了抽采監控系統的穩定性和可靠性。