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)電氣工程及自動化學(xué)院，江蘇徐州 221000）

0 引言

礦井各級變電所的穩(wěn)定運行直接影響煤炭的安全開采，同時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，對于大多數(shù)煤礦安全事故發(fā)生的根本原因，一方面是對井下各級變電所的數(shù)據(jù)無法做到實時監(jiān)測導(dǎo)致信息互通不及時；另一方面是對井下變電所內(nèi)綜保設(shè)備無法集中控制導(dǎo)致設(shè)備管理不統(tǒng)一。隨著國家對于煤礦安全生產(chǎn)的高標準、嚴要求，對煤礦井上井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。

實現(xiàn)對各級變電所的集中測控，需要搭建一個覆蓋井上井下各級變電所的集中管理控制平臺[2]。一方面是為了實現(xiàn)對井上井下各級變電所內(nèi)設(shè)備儀表相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集監(jiān)測監(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)微機綜保設(shè)備會因生產(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為底層控制器對不同規(guī)約的智能綜保設(shè)備進行編程解析來對煤礦井上井下各級變電所各高低壓開關(guān)柜中的電氣參數(shù)進行采集處理，實現(xiàn)在地面中央或區(qū)域集控室對井下各區(qū)域變電所高低壓的電壓、電流、有功功率等參數(shù)進行監(jiān)測，對井下高低壓綜保單元開關(guān)進行遠方分合閘操作[3]。

1 研究內(nèi)容與目的

煤礦變電所作為整個煤礦井上下機電設(shè)備供電的支柱，其安全運行是整個煤礦安全生產(chǎn)的保證。因此，開發(fā)一套針對井上下變電所供電的監(jiān)測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)計來源于江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目，項目研究內(nèi)容主要包括對變電所二次設(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)備進行升級改造來搭建出一個集監(jiān)測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)；利用工控機加Intouch 工業(yè)控制組態(tài)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行可視化處理組成上位機平臺，設(shè)計出了一套“基于西門子PLC 煤礦變電所監(jiān)測與控制一體化管理系統(tǒng)”。

根據(jù)實際項目展開，因此需結(jié)合礦方對于自身實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 進行通訊連接的問題，對礦區(qū)變電所內(nèi)部分儀表以及綜保設(shè)備進行升級改造更換為智能儀表和智能綜保設(shè)備。

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

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

1.2 研究目的

根據(jù)對煤礦變電所老舊設(shè)備進行硬件升級換代、變電所柜體接線以及軟件編程方面的升級改造來設(shè)計出一套“基于西門子PLC 的礦井變電所供電監(jiān)測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，減少煤礦變電所運維成本，保障礦區(qū)人員安全，實現(xiàn)先進的煤礦井下各區(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)測與控制一體化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)按照3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要為管理層、控制層與操作層。其中，管理層是整個系統(tǒng)最重要的部分，主要包括各個功能數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器與上位機監(jiān)測系統(tǒng)，例如實現(xiàn)遙視功能的視頻服務(wù)器、實現(xiàn)煤礦外部監(jiān)測與控制的WEB 服務(wù)器等?？刂茖邮钦麄€系統(tǒng)的核心層，主要是對各個分區(qū)變電所的數(shù)據(jù)進行采集傳輸以及對上位機發(fā)出指令的傳達等功能，此層穩(wěn)定快速的運行是整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[5]。操作層處于系統(tǒng)的最底層是整個系統(tǒng)運行的基礎(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)機油溫、綜保開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集；對集控室下達的開關(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，因為其變電所種類繁多加上井下設(shè)備工作的要求機器啟停頻繁容易造成諧波，對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)計對于礦井供電監(jiān)測系統(tǒng)的遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙視“五遙”功能的實現(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)控制單元等之間進行互連的數(shù)據(jù)總線，又被稱為自動化工業(yè)控制領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)絡(luò)，是一種數(shù)字化、多點通信、多分支的底層控制網(wǎng)絡(luò)[7]。對于現(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、傳輸實時性要求較高以及電磁干擾較強等因素，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現(xiàn)點對點的通信方式，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撲結(jié)構(gòu)，同一總線上最多可以掛接32個節(jié)點。RS-485通信傳輸是一種串行的主從方式，在系統(tǒng)設(shè)備組成的一個環(huán)網(wǎng)中每個設(shè)備都有唯一的地址，但其中只有一個主機設(shè)備能夠建立協(xié)議，一般為PC 機或PLC 等終端設(shè)備，其他的設(shè)備為從機，只能根據(jù)主機發(fā)出的查詢做出相應(yīng)的響應(yīng)動作[8]。RS-485接口標準參數(shù)如表1所示。

表1 RS-485接口標準參數(shù)表

設(shè)計借助以太網(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)時先對總線偵查是否有節(jié)點正在發(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)的新一代自動化現(xiàn)場總線。Profinet 在提出時提供了與各種現(xiàn)場總線進行互連的接口，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)時間的不同Profinet 可以分為TCP/IP 標準通訊、實時RT 標準通訊以及同步實時IRT 標準通訊3種通訊方式。TCP/IP標準通訊協(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)與上位機進行通訊進行監(jiān)測與管理各級變電所。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時RT標準的Profinet現(xiàn)場總線?，F(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 下位機系統(tǒng)設(shè)計

煤礦變電所測控平臺下位機系統(tǒng)的設(shè)計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)備進行更替改造，對軟件系統(tǒng)進行性能提高、編程優(yōu)化等方面的升級改造以實現(xiàn)礦方所提性能要求。

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

煤礦變電所一體化測控與管理系統(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)。隨著煤礦自動化、智能化生產(chǎn)的要求不斷提高，各煤礦對于井下變電所的建設(shè)提出嚴格標準，具體在井下變電所對信息采集實時性、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要求，對井下變電所進行改造升級建設(shè)。井下變電所主要功能便是信息的采集與傳輸，此處對信號進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 煤礦供電下位機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 煤礦變電所管理平臺下位機系統(tǒng)設(shè)備選型表

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是整個變電所測控系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)，實現(xiàn)煤礦井上、下供電一體化測控與管理平臺建設(shè)的核心工作在于PLC 測控系統(tǒng)軟件的設(shè)計；硬件系統(tǒng)電路功能的正常運行需要借助軟件的控制，因此測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計非常重要。軟件系統(tǒng)發(fā)出指令到硬件系統(tǒng)，雙方協(xié)同完成對數(shù)據(jù)的采集、傳輸，同時軟件系統(tǒng)還需對數(shù)據(jù)進行處理、對結(jié)果進行控制輸出等功能[11]。軟件系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的問題：（1）程序設(shè)計應(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)計應(yīng)注意合理分配控制器系統(tǒng)資源，防止不必要的存儲空間占用，提高軟件系統(tǒng)的運行速度。

根據(jù)項目集控原則與硬件設(shè)備技術(shù)要求，測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)合的方式進行編程，STL語言進行數(shù)據(jù)處理快速準確，LAD 語言進行結(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 變電所測控系統(tǒng)的主程序主要包括以下幾個模塊化程序：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PLC，其內(nèi)部監(jiān)視定時器啟動PLC 進行自檢，若自檢正常繼續(xù)執(zhí)行來自外設(shè)的命令，若自檢不能正常運行則會進行報警提示，對報警原因進行自查，若自檢原因為錯誤則跳轉(zhuǎn)去執(zhí)行復(fù)位監(jiān)視定時器命令，若自檢原因為警告則繼續(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)行對高壓綜保協(xié)議進行解析的程序塊，執(zhí)行完畢后會進行一個中斷時間檢測，若到達中斷時間進行一次統(tǒng)一校時命令，若不到達中斷時間則繼續(xù)調(diào)用執(zhí)行對低壓綜保設(shè)備協(xié)議進行解析的程序塊[13]。對高低壓綜保協(xié)議解析程序執(zhí)行完畢后，對輸出進行刷新執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)，接著復(fù)位監(jiān)視定時器繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行上述程序。

在PLC 主程序中編寫一個主程序執(zhí)行時間監(jiān)測程序模塊，這個程序模塊主要用來檢測PLC 程序執(zhí)行時間來辨別PLC 與其他設(shè)備之間是否通訊正常，如果出現(xiàn)超時現(xiàn)象，為了防止PLC出現(xiàn)死機，會執(zhí)行錯誤復(fù)位重啟監(jiān)視定時器或者給出報警提示動作[14]。因為主程序的執(zhí)行時間與程序的復(fù)雜程度對PLC 本身性能有很大要求，此系統(tǒng)程序中包含多個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)行時間為0.2 s。若PLC自檢執(zhí)行時間沒有出錯，PLC會響應(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行通訊，執(zhí)行相應(yīng)的檢測與控制功能。執(zhí)行主程序時，PLC的CPU根據(jù)令牌碼進行站點輪詢，按照功能碼切換準則判斷出相應(yīng)的邏輯要求，跳出主程序調(diào)用令牌指令對應(yīng)的子程序功能塊完成相應(yīng)的功能，當執(zhí)行完子程序功能塊后返回到跳出點繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行接下來的程序。遙測仿真實時DB塊數(shù)據(jù)如圖6所示。上位機監(jiān)測如圖7所示。

圖6 遙測仿真實時DB塊數(shù)據(jù)圖

圖7 上位機系統(tǒng)監(jiān)測圖

5 結(jié)束語

本文主要針對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)無法實時傳輸以及變電所子系統(tǒng)眾多（例如：機組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)致接口混雜難以實現(xiàn)集中管理與監(jiān)測的缺點，開發(fā)一套煤礦變電所遠程測控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各級變電所設(shè)備升級改造后的智能儀表與綜保裝置采集變電所供電設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)與電參數(shù)經(jīng)過PLC進行對應(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系統(tǒng)中，由上位機系統(tǒng)相關(guān)軟件對采集到的各級變電所數(shù)據(jù)以及運行狀態(tài)進行可視化處理[15]，最終實現(xiàn)地面集控室對井下各級變電所運行狀態(tài)的監(jiān)測，設(shè)計出集遙測、遙調(diào)、遙信、遙控、遙視的“五遙”功能煤礦供電測控與管理平臺。