基于S7-1200PLC的礦井變電所電力監控系統的開發及應用

史凱

（兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東濟寧 272000）

目前礦井電力監控系統多為開關綜合保護裝置廠家配套開發，系統支持保護種類有限，開放性及融合度較差，尤其是對于后期新安裝不同型號低壓開關時系統整合困難。本文設計了一種基于PLC及博途WinCC平臺開發的電力監控系統，系統采用S7-1200PLC為主控制器，通過組態的CM1241通信模塊采集不同種類智能開關的數據，通過安裝電流、電壓傳感器采集不具備通信功能的開關數據，開關分合閘由PLC采用通信或硬線方式集中控制，開發了博途WinCC控制HMI系統，實現了不同種類、品牌開關的集中電力監控，項目應用于濟寧二號煤礦中央變電所低壓系統，取得了良好的效果。

1.系統硬件設計

1.1 斷路器通信方案

本系統包含6臺礦用低壓柜，低壓柜配置GM型通信斷路器16臺及GW3斷路器2臺。兩種斷路器控制器均支持Modbus3.0通信協議，傳輸方式為主從半雙工方式，GM8短路器校驗方式為偶校驗或無校驗，GW3斷路器為無校驗，每個字節幀傳輸格式包含11位，1個起始位8個數據位，采用無校驗時2個停止位。通信波特率均支持9600BPS或192000BP。

根據以上特性，系統設計使用CM1241模塊進行通信采集。CM1241為S7-1200配套通信卡件，帶有標準的RS422/485接口，支持全雙工多點主從站和半雙工模式，每個模塊支持32個信號傳輸，滿足現場通信需求。

1.2 啟動器數據采集方案

本系統包含2臺低饋開關，支持開關分合遠控接線，但由于保護器不支持通信功能，無法通過通信方案采集數據。根據現場實際情況，本方案采用了安裝電流、電壓傳感器及遠程控制硬接線的控制方式。設備均為低壓設備，信號采集方式為：電壓互感器選用JXT系列，原邊測量范圍為20mV～1200mV，傳感器輸出信號為0V～10V電壓信號；電流互感器選用JXK系列，原邊測量范圍為0A～200A，輸出信號為4mA～20mA電流源。信號輸入模塊選用SM1231模塊，該模塊為S7-1200配套模擬量輸入模塊，支持8個通道輸入，輸入方式可選擇0V～10V電壓信號及0/4mA～20mA電流信號，分辨率高達13位。并且每兩個通道可以根據現場輸入信號方式自由選擇電壓或者電流信號，完全滿足現場使用要求。

1.3 設備控制方案

系統中通信斷路器通信協議具備遠程分、合、復位等控制字，可以直接編程實現控制，不具備通信功能的設備可以采用硬線通過輔助遠控接點控制。系統選用的1214C（DC/DC/DC）為S7-1200系列的一款直流輸入輸出控制器，具備100kB的工作存儲器，可直接使用低壓柜中24V直流電源作為輸入電源。控制器自帶了14個數字量輸入點和10個數字量輸出點，可用于實現非通信設備的控制，無需額外添加輸入輸出模塊。并且該CPU可以擴展多達3個用于串行通信的通信模塊，CPU本體上還可以擴展一個通信卡，實現4個獨立的通信端口，滿足后期擴展需求。

本方案選用該控制器既可以滿足通信需求，又可以實現遠程控制，并且可以利用控制器自帶的網絡接口接入工業以太網，用于上位機遠程通信。

2.系統軟件設計

2.1 控制軟件及主程序

系統控制程序使用博途Step7（V16）編寫，該軟件是專為適配于新一代控制器專用軟件，可用于組態S7-300/400/1200/1500PLC組態，控制指令豐富，集成了程序編寫及上位機開發功能，支持多種語言寫入程序。根據系統要求，該系統配置1214C控制器一塊、CM1241模塊一塊、SM1231AI輸入一塊即可滿足要求。

根據系統要求，系統通過組織塊調用若干功能，主要組織塊中包含了系統啟動程序，模式選擇等功能。每個功能分為電流電壓采集、運行狀態采集、保護參數采集、故障信息采集、遙控、參數修改等多個功能。

2.2 通信程序

通過標準的Modbus通信程序塊進行對每個斷路器通信數據的輪詢處理。主要組織塊內編寫了啟動程序，其余功能里以MODBUS_Master指令為基礎，編寫了每臺設備的輪詢程序，以電流采集塊為例：第一臺設備設置地址為1，MB_ADDR設置為1；通信協議中電流起始地址為0，采集三相電流，數據長度為3，DATA_ADDR設為40001，DATA_LEN設為3；通信方式為讀取，Mode設置為0。DONE管腳的輸出信號用于啟動下一臺設備讀取請求以及復位本臺設備通信請求，如此往復，實現所有設備的輪詢，通信程序如圖1所示。

圖1 通信數據采集程序圖

2.3 模擬量采集程序

博途Step7中針對S7-1200PLC提供了新型的模擬量轉換指令，電壓及電流傳感器采集的信號輸入值模擬量采集模塊后，由CPU由解析為數字信號，標準值范圍為0～27648[1]，通過標準化指令NORM_X將輸入信號進行標準化標定，生成的臨時變量通過縮放指令SCALE_X換完為創按期的量程值，用于程序的運算。通過2個指令的結合運行，可以完成電流、電壓信號的采集，程序如圖2所示。

圖2 模擬量采集程序圖

2.4 遠控程序

對于通信斷路器，依然可以通過標準的Modbus通信程序塊進行對每個斷路器進行控制。與通信采集程序類似，控制程序也以MODBUS_Master指令為基礎編寫每臺設備的輪詢程序，以第二臺斷路器遠程合閘為例，MB_ADDR設置為2表示為該斷路器地址。通過查詢通信協議，遠程操作指令目的地址為801，數據長度為2，因此DATA_ADDR設為40802，DATA_LEN設為2。通信方式為寫操作，Mode設置為1。操作數0x1010為遠程合閘，0x1020為遠程分閘 0x1030，通過進制轉換后分別為4112及4128，在分合斷路器時把2個數值分別寫入操作地址中，即可實現遠程分合閘。對于硬接線的設備，只需通過CPU板載的數字量輸入端口，輸出干接點使遠控觸點閉合或斷開即可完成分合閘。

3.HMI系統設計

MHI系統采用博途軟件集成的WinCC專業版進行開發，是SCADA系統的可視化組態軟件，在博途軟件中可組態PC站系統，是用于構建組態范圍從單站到多站系統的SCADA系統[2]，系統生成的WinCC Runtime程序，可以獨立運行，也可以集成運行，普通PC站及網卡即可實現數據的修改下載，所有使用的變量可以通過博途軟件詳細視圖的變量列表進行拖拽，大大提高了效率。根據現場實際，系統開發以下功能：

（1）主接線視圖：可以顯示整個系統運行全貌，包括每臺斷路器的分合狀態及三相電流顯示，系統電壓、系統功率、系統電能等主要參數顯示。

（2）分饋視圖：可以顯示每臺開關的負荷名稱、詳細運行狀態，包括定值設置等參數，同時可以通過系統參數畫面切換遙信、遙測、遙調、遙控等功能實現遠程分合閘、遠程修改定值等遙控操作。

（3）分合記錄：用于顯示每臺開關的分合記錄，便于對操作記錄統計。

（4）故障記錄：用于讀取通信開關保護裝置的內部故障記錄，便于對設備安全運行狀況進行統計分析。

（5）趨勢曲線：可以對系統電壓、電流、功率等關鍵數據進行歸檔記錄，并以曲線形勢體現。采樣周期為1S-1H可選，儲存周期最長可達1年。

（6）用戶管理：系統設置了3個用戶層級管理。操作員權限可以查看設備運行狀態，遠程分合操作，歸檔數據導出。工程師可以對設備定值整定、對負荷變更后的名稱進行修改。管理員可以修改編輯系統畫面、調整動畫連接密碼級別、修改I/O接口[3]管理其他用戶等。HMI主界面如圖3所示。

圖3 HMI界面圖

4.結語

目前電力監控系統多為硬件廠商單獨配置的監控系統，需單獨購置并安裝專用設備，占用空間大、價格較高且技術閉塞，不利于現場人員后期更新。本項目使用S7-1200PLC控制器，對柜內斷路器通信協議解包轉換，可直接并入礦環網，無需單獨增設監控設備。可在集控室對設備信息集中監視，并實現遠程分合閘、修改定值等功能。極大地提高了系統自動化程度，并方便現場職工巡檢。PLC程序開放性好，配套上位機平臺界面友好，便于后期隨著負荷增減對系統實時更新。且控制程序及上位機畫面完全自主開發，項目集成擴展性好，可以同樣適用于其他礦井同類型斷路器，并且可以融入其他電力監控系統中，應用效果良好。