一種改進的煤礦上位機智能監視系統設計

李倩倩，鄧 斌，胡文昊，朱蘭巧，夏正龍

(1.江蘇師范大學 科文學院工學院，徐州 221000；2.江蘇師范大學 電氣工程及其自動化學院，徐州 221116)

0 引言

隨著國家對于煤礦安全生產的高標準、嚴要求，對煤礦井上、下各級變電所進行集中化測控與管理來提高煤礦變電所自動化、智能化的程度越來越重要。上位機監測系統是整個煤 礦變電所監測大系統的重要組成部分，是作為集控室操作人員與煤礦整體供電測控系統進行聯系的橋梁，工作人員可以通過集控室上位機系統中的組態畫面了解到煤礦內各級變電所設備運行狀況，進行相關的調度工作安排。科技不斷進步，研究人員開始對實時視頻進行監控，將拍攝到的視頻引入到監控系統中，開發一套智能遙視監控系統。此系統包括對攝像頭實時拍攝到視頻中的目標進行識別檢測，根據算法分析目標的行為得出結果，再向下位機系統中控制器下發指令完成指定功能[1]。

1 煤礦變電所上位機監測系統開發設計

組態軟件是工業自動控制系統管理層的軟件平臺與開發環境，是對數據進行集中測控的專用軟件。本系統采用Wonderware公司開發的InTouch工業組態軟件，該組態軟件為首個高集成化，基于組件的HMI系統，在HMI和面向對象的圖形開發環境方面處于世界領先地位[2]。根據煤礦環境的特殊性對系統控制器選型時選用西門子PLC，上位機測控與管理系統選型時采用高性能工控機，各級變電所中測控分站由PLC、IO模塊、通訊模塊、千兆交換機與光端機組成[3]。

1.1 煤礦變電所上位機監測系統功能

上位機系統主界面由各級變電所管理界面、用戶管理界面、報警顯示界面以及數據查詢界面等組成，各個界面中嵌套著許多子界面[4]。上位機監測系統界面結構圖如圖1所示。上位機監測系統界面組態軟件采用為InTouch11.1版本編寫。

圖1 上位機監測系統界面結構圖

由圖可知本系統上位機監測系統界面主要由5部分組成：

1）各級變電所設備分布管理界面：煤礦變電所分為井上各級變電所與井下各級變電所，井上、下各級變電所中最為主要便是中央變電所。集控室操作人員根據這個界面可以對煤礦內部各級變電所設備參數與設備狀態進行監測，例如：變電所內高壓設備運行狀態、低壓設備參數以及各級變電所的大致分布；

2）操作人員管理界面：煤礦上位機監測系統擁有完善的人員管理功能，包括：用戶登錄、退出管理以及用戶權限管理等。上位機系統根據集控室人員等級管理辦法對登錄人員分配操作等級不同的權限，低權限等級用戶只能對監測系統進行查看，高等級用戶不僅可以對監測系統進行無限制操作還可以對低等級用戶進行管理操作；

3）礦井電路監測管理界面：此界面運行狀態下，操作人員可以根據測控系統對煤礦內變電所高、低壓供電系統運行狀態進行監測，對線路中饋 電開關或綜保開關進行測控以及對煤礦中設備通訊狀態進行監控。當等級權限允許的情況下，操作人員可以通 過上位機系統將供電線路中開關進行分合閘操作，對變電所內繼保設備參數進行整定操作；

4）報警信息管理界面：報警信息分為實時報警與歷史報警兩類。在上位機系統運行狀態下，實時報警信息發生時上位機會以警鈴加集控室外接紅燈閃爍的方式進行提醒，并且在界面報警處提示報警發送的位置以及報警的內容，有助于操作人員及時發現，進行查找報警源。歷史報警信息是將實時報警信息存儲到內部數據庫內，當有需要時按照條件進行查詢[5]；

5）數據上傳服務器界面：中央集控室的監控界面將測控數據上傳到云端服務器內或WEB服務器內，礦長或廠方可以根據服務器地址登錄密碼隨時隨地查看相應界面數據，監測設備運行狀況，方便快捷。

上位機監測系統變電所人員登錄管理界面如圖2所示。上位機監測系統大巷變電所監測管理界面如圖3所示。

圖2 上位機監測系統變電所人員登錄管理界面圖

圖3 上位機監測系統大巷變電所監測管理 界面圖

1.2 InTouch上位機組態軟件與西門子PLC進行OPC通訊

OPC是微軟公司為過程控制領域設計的對象鏈接和嵌入技術，能夠提供一種與項目底層設備或集控室后臺數據庫等多個數據源進行通訊的標準機制[6]。其最初是在網絡服務器上使用，進行數據訪問。但目前來說，上位機項目應用程序內皆可使用OPC接口標準。

InTouch與PLC進行數據交互，使用西門子公司開發的SIMATICNET軟件作為OPC服務器，通過網線將PLC與上位機系統中SIMATIC NET OPC服務器建立連接，利用FSGateway作為連接橋梁，令InTouch組態軟件訪問點與SIMATICNET OPC服務器進行通訊，實現PLC與InTouch的數據交互[7]。FSGateway是由Wonderware公司設計用來作為數據格式轉換的橋梁，FSGateway能夠使格式不同的客戶端讀取或操作不同協議服務器中的數據。用戶可以利用SIMATICNET將工業現場中的通訊設備與上位機系統聯網完成數據交互，同時西門子為了適應自動化工程通訊的多樣性，推出不同種類的通訊網絡方式供選擇，主要包括：工業以太網、AS-I、PROFIBUS、PROFINET[8]。FSGateway通訊支持協議的格式圖如圖4所示。InTouch組態軟件中訪問點配置圖如圖5所示。

圖4 FSGateway通訊支持協議格式圖

圖5 InTouch組態軟件中訪問點配置圖

2 煤礦變電所上位機系統測控功能實現

煤礦變電所上位機控制與管理系統可以對煤礦中各級變電所高、低壓主線路狀態進行測控；對變電所內高、低壓柜內儀表電氣參數進行監測，包括電壓、電流、有功、無功功率、功率因子等；對煤礦綜合保護設備的定值參數進行遠程整定下載等。權限允許的話，在集控室上位機界面遠程完成饋電開關等綜保設備的分合閘與復位動作。當測量參數的實時監測值超過正常設定值時或繼保設備非正常跳閘時，系統能夠發出聲光報警，并彈出對話框提醒集控室操作人員。報警對話框彈出后需要操作人員下發指令 對保護設備進行復位來關閉報警，防止與接下來報警混淆。同時，錯誤信息出現的時間、地點以及出錯類型都記錄在報警界面。上位機系統對煤礦變電所設備狀態與電參數測控圖如圖6所示。上位機系統對煤礦變電所設備參數整定圖如圖7所示。

圖6 上位機系統對煤礦變電所電參數狀態測控圖

圖7 上位機系統對煤礦變電所設備參數整定圖

3 煤礦上位機智能遙視監控系統

隨著科技進步，研究人員開始對實時視頻進行監控，將拍攝到的視頻引入到監控系統中，開發一套智能遙視監控系統。此系統包括對攝像頭實時拍攝到視頻中的目標進行識別檢測，根據算法分析目標的行為得出結果，再向下位機系統中控制器下發指令完成指定功能[9]。

3.1 智能遙視監控系統

傳統視頻監控只是攝像頭代替人對所監控目標進行視頻拍攝，人工對視頻中圖像進行觀察發現異常再進行通知人員進行處理，此種監控方式缺乏實時操作性并且效率低下，對場地設備和人員安全性無法保證[10]。

智能遙視監控系統，又叫做智能視頻監控，是機器視覺中目前較為火熱的一個應用方向。智能遙視監控系統相比較于傳統視頻監控最為突出的便是其智能性，即無需人為處理只需添加計算機智能算法進行處理便可對攝像頭實時拍攝視頻進行監測，對視頻中需要檢測的運動目標進行標記，一旦發生異常現象便可下發指令到下位機控制器中進行報警動作，警示值班人員對出現異常情況的設備進行處理。

3.2 Python與西門子S7-1500PLC通訊

隨著當今物聯網的快速發展，傳統工業系統因行業發展需要，廠內數據急需集中測控管理，所以需要設備與外界系統構成閉環網絡。但傳統設備因硬件設計不能直接與外界進行通訊，通常需要借助通訊介質。因此，結合工業系統實際情況提出一種想法，利用PC作為一個中介橋梁，將工業系統中控制器數據上傳到數據庫，實現內網或外網對設備數據的遠程測控，同時在PC中集合智能算法與圖像處理技術，增加實時圖像報警，對系統進行升級優化。在 PC機中可以利用多 種環境與PLC等微控制器進行互聯互通，例如C/C++、C#、LabVIEW與Python等，項目中選用Python語言環境。Python作為當前最火的一種語言環境，在云計算、圖像處理等諸多方面都被使用，庫種類豐富、應用廣泛、可植入性強，因此，選擇Python語言應用到本項目中。

在Python環境中創建Client，根據Snap7通訊庫規約，定義通訊協議進行與PLC的連接。該通訊協議中需要對設備自身型號以及Address、Rack、Slot與Tcpport進行賦值，其中Address為PLC的IP地址，假如利用虛擬PLC進行仿真，此處便為虛擬PLC所在電腦的IP地址，Rack為機架號，Slot為插槽號，在虛擬S7-1200與S7-1500PLC中為固定值分別是0和1，端口值Tcpport默認為102無需更改。連接建立完成后，對于想要讀取PLC的輸出映像Q區值需要再定義一個讀取協議來獲取PLC各個區的數值，此協議中需要對設備型號、Area、Dbnumber、Start與Size進行賦值，Area為PLC內各寄存區的代碼，具體地址區域表示值如表1示。協議中Dbnumber為DB數據塊號，只有當上位機系統訪問PLC中DB塊時才需使用，Start為訪問寄存區起始地址，Size為所需要訪問的數據長度。Python與PLC通訊后可以對PLC的輸出映像Q區進行讀寫操作、對M區進行讀寫操作與對PLC內DB數據塊進行讀操作等。

表1 地址區域表示值

3.3 基于Python-PLC圖像報警算法

智能遙視監控系統主要是對圖像中運動目標的檢測。目標檢測是基于目標幾何特征對視頻中圖像進行分割監測的一種技術，是在對實時視頻幀和背景幀的分析后，從圖像中分割出所需的目標，并確定這一目標的位置[11,12]。常用的運動目標檢測算法為背景差分算法、幀間差分算法以及光流算法等，其中幀間差分算法使用最為廣泛，在實際應用中優點明確，操作起來比較方便、運行效率高。但幀間差分法也存在明確的缺點，容易受外部環境影響，當外部環境較差，對運動目標的圖像進行特征提取時，會出 現特征提取不完整的現象，需要其他監測方法與該算法協同使用。基于幀間差分算法的此類缺點，項目中引入背景法，對兩種算法進行結合完成對運動目標的檢測。首先對攝像頭拍攝到的視頻進行分幀處理，并對第一幀利用混合高斯模型進行處理用做監測目標的背景幀。同時為了處理準確方便，對視頻幀進行灰度化轉換；接著為了防止圖像中的噪聲點影響檢測，對視頻幀圖像借助形態學處理，利用開運算方式對視頻幀圖像先腐蝕再膨脹，將圖片中噪聲點進行去除。遍歷視頻幀圖像輪廓，設置周長閾值，滿足這個周長閾值，利用矩形框進行標記。計算出視頻幀圖像數組和，之后將每一實時圖像幀數組和都與背景幀數組和進行作差，將差值與設定閾值進行比較來判斷目標是否發生了變化。

項目中將所需監控攝像頭固定在一定位置并且檢測運動目標為已知相關設備開關，同時為了便于觀察井下設備運行情況，確保設備正常工作，綜保正常分合閘，利用C#語言編程完 成界面可視化將攝像頭拍攝實時內容引入到上位機監控系統中。設備遙視監測圖如圖8所示。變電所遙視監測圖如圖9所示。Python-PLC數據交互圖如圖10所示。

圖8 設備遙視監測圖

圖9 變電所遙視監測圖

圖10 Python-PLC數據交互圖

4 結語

本文基于InTouch組態軟件，根據系統針對對象進行軟件工程設計的方法設計出一套煤礦變電所供電控制與管理的上位機系統。根據礦方所提出項目功能要求組態出上位機監控系統主畫面、各級變電所供電畫面與故障及報警提示組件等。在InTouch軟件設置訪問點，借助FSGateway與西門子SIMATIC NET建立通信，之后與西門子S7-1500 PLC完成通訊，實現遠程對煤礦各級變電所設備參數、狀態進行測控功能的上位機組態系統，對各級變電所統一集中監測管理，進行數據實時交互。結合圖像處理技術，基于Snap7通訊庫定義Python-PLC的通信連接協議對實時視頻圖像進行監測，實現對重點區域開關狀態變化報警提示功能，將攝像頭拍攝畫面引入到上位機監測系統中進行同步實時監測，進一步提高煤礦變電所供電系統的自動化水平。同時后期可以在危險區域布置同類型視頻圖像監測系統，對將要誤入危險區域的工作人員進行及時提醒，保證安全作業。