组态技术在煤矿水位监测系统中的应用

2015-03-19杜亚玲

机械管理开发 2015年3期

杜亚玲

（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006）

引言

矿井水形成原理复杂，主要来源于自然降水和陆地水，其次源于地下含水层水和采空区积水。自然降水部分会流入河流、湖泊或经由蒸发回归大气，余下的部分通过岩石土层中的缝隙流入地下或矿井。自然降水对矿井水的影响程度随季节、地域环境、开采深度的不同变化异常显著。我国西北地区降雨量少，矿井涌水量也较少，而东南地区降雨量高，矿井涌水量也随之较高，在相同的地域环境下，季节变换引起大气降雨量发生变化，矿井涌水量也不同，同时根据不同的矿井开采深度，矿井涌水量也发生相应变化。通常，矿井涌水量在上山开采水平较小，在下山开采水平较大，并且矿井涌水量随开采深度增加而增加，因此对矿井水位的监控具有重要的意义。

目前，矿井整体自动化综合系统作为全矿井管理平台正在进一步完善，矿井水管理有向综合性管理平台并入的趋势，通过建立矿用以太环网，整合矿井水监测、管理与控制相关设备，接入全矿综合管理系统完成高速、统一组网，实现煤矿井上井下远程监控，达到一体化矿井的管控目标。综合系统体系结构由三层组成，分别为信息层、控制层和设备层。控制层建立在工业以太环网的基础上，设备层为提高现场设备间信息传输的实时性，决定采用现场总线组网，从而在实现了矿井水远程监控的同时，矿井管理自动化与现代化水平也得到了不小的飞跃，而实现上述目的的最好工具就是组态软件技术。

1 组态软件选择及系统功能概述

InTouch软件应用领域包括机械、分布式服务器／客户机、工业应用服务器等。InTouch支持WindowsXP，在可视化和工业控制中应用广泛。它可以提供易于现场应用的开发环境，工作人员实现快速建立、测试和完成自动化设计。InTouch使用开放式界面设计及人机对话模式，方便使用者以图形方式建立工业过程的显示技术方案。In－Touch WindowMaker利用组件、位图、ActiveX控件、高级图形库等，方便用户使用。使用Quick－Script编辑器以拓展应用范围，根据工业现场工艺、数据、事件、响应等事件设计一个符合要求的工业范例［1］。

本系统用于对井下水位进行监控，可对井下10个分站共40台水泵进行起停、检修、自动、手动操作，可对水位上下限进行设定，并能实时监视现场水位、水泵运行状态，具有自动报警功能。系统由以下几部分组成：

现场显示界面。采用被封装起来的触摸屏（西门子TP177A6）作为显示器，用 WinCC Flexible 2007软件进行组态。该触摸屏不能触摸，屏幕状态的改变只能通过PLC进行控制。

现场控制部分。采用西门子S7－200PLC（CPU226CN）扩展以太网模块CP243－1实现以太网网络连接，通过组态软件STEP7－Micro WIN V4.0进行编程。

地面人机界面使用 Wonderware公司的In－Touch创建上位机的监控界面，利用SIDirect DAServer的SuiteLink协议实现与PLC之间的数据通信，监控现场PLC控制单元。

2 组态功能设计

1）以太网卡安装与TCP／IP协议的配置。PLC的右端安装连接CP243－1以太网模块，并用PPI通讯电缆与PC机确认妥当连接后，在STEP7－Micro WIN V4.0软件环境下完成PG／PC接口设置（选为PC／PPI cable），使用以太网向导工具对CP243－1模块进行配置，模块位置与模块连接到PLC的位置远近相关，经由总线直接连接到PLC的以太网模块处于0号位置，之后依次1、2、3号等。同时，软件还具有通过手动点击读取模块来识别确切位置的功能。设置模块以“自动检测通信”的通讯连接工作方式工作，须对IP地址与子网掩码进行设置，网关可以不设置。对要建立的连接进行配置：连接数配置为1，服务器连接方式以及对连接请求都接收。对于参数存储区的配置，仅需对起始地址进行指定，其余工作由系统自动计算生成，生成CRC保护文件与ETH0－CTRL子程序。通过以太网控制程序编写实现服务器每经行一次扫描，都将调用ETH0－CTRL子程序。通过网线将CP243－1以太网模块与PC机相连接，通过PC机上的TCP／IP协议设置完成CP243－1与PC机的组网工作，并通过下载向导下载程序到PLC中。最后，重新对Set PG／PC Interface进行配置：设置以太网卡接口，并在属性页面下设置不要自动分配IP地址［2］。

2）PLC编程。PLC的输入端共接有11个控制按钮，分别为返回、选择、确定、加键、减键、起动、停止、手动、自动、设置、检修。程序包括主程序、检修子程序、10个画面子程序、4个水泵子程序及以太网子程序。主程序流程如图1所示，画面子程序流程如图2所示。

图1 主程序流程图

图2 画面子程序流程图

在水泵子程序中可实现对水泵的启动、停止控制，自动、手动操作的切换，还可对所选的水泵进行单独检修，通过选择和加键、减键可以设定水位的上下限。在主程序中应调用以太网子程序。程序编译完成后，通过以太网下载到PLC中。

3）I／O Server为InTouch与外围通信提供了工具。作为上位机软件，I／O Server作用是传递数据给InTouch或应用程序。应用SIDirect DAServer，配合西门子S7 200系列的PLC，并以太网模块CP243－1硬件访问S7－200PLC，SuiteLink协议实现连接 Wonderware InTouch，SIDirect DAServer由上位机安装配置。开始／程序选项中 Wonderware菜单下找到System Management Console（SMC）并单击启动运行，在本地节点下，DAServer以“ArchestrA.DASSIDirect.1”命名，可通过 ArchestrA SMC 中的“DAServer Manager”树找到SIDirect DAServer。

设置PLC的IP地址到Network Address中，即192.168.10.50。将本地站的本地 TSAP设置为10.0；将PLC的远程 TSAP设置为10.00［3］。

打开“Device Group”属性页面，添加新的Device Group到其对话框中，为确保与访问名对话框中添加的主题名一致，需将默认名Topic＿0通过单击右键方式重命名为S7200。打开“Device Items”属性页面，添加新的Device Item到对话框中，并完成默认名Item＿0的重命名工作。DA Server的启动运行需通过单击Activate Server来进行。

4）组态设计。InTouch包含三部分：程序管理器实现创建新程序和管理原有程序；Window－Maker可以使用面向对象的图形来对整个工程进行组态，创建富于动感的显示窗口；运行时环境WindowViewer用于对WindowMaker中创建的图形窗口提供运行环境。

InTouch无内置数据库系统，需依托第三方软件完成数据库建立与数据信息存放。SQL访问管理器是兼容于ODBC的程序组件，此组件对于Oracle、SQL Server以及Access等数据库都支持，在安装InTouch HMI可选择一并安装。SQL访问管理器可通过ODBC方式建立数据源，并连接到SQL数据库，完成InTouch应用程序与SQL数据库的实时数据交换，包括运行过程中的数据、报警数据库或历史数据库。InTouch可显示指定时间段内多个项目数据信息，且能以图形可视化表示出来，并同时支持实时趋势和历史趋势的对象显示方式［4］。两种趋势都使用 Window－Maker中的特殊工具来创建。当水位和水泵工作正常时，报警状态显示绿色的正常；当水位超限或水泵工作异常时，报警状态显示红色的报警；如果水位超过最大值，则报警闪烁。在报警状态下，报警指示灯右边出现“关闭报警”按钮，单击此按钮则报警指示灯变为黄色的“关闭”，此时右边出现“启用报警”按钮，单击此按钮则重新显示报警状态［5］。