多种通信方式的瓦斯电站监控系统研究与应用

2015-12-31岳忠

机械工程与自动化 2015年4期

岳忠

（山东钢铁莱钢自动化部，山东莱芜 271104）

0 引言

在利用瓦斯发电的过程中，因为煤矿瓦斯的浓度和压力不是很稳定，所以工作人员需要时刻注意瓦斯浓度和压力的变化，以便能及时对发电机组工作的运行情况进行调整，而瓦斯抽放站和厂房一般距离控制室比较远，工作人员只能通过后台监控系统对现场进行实时的监视和控制，这就提高了对后台监控系统可靠性和实时性的要求。

目前比较流行的一种后台监控系统应用是通过通讯来实现的，不仅可以满足工艺对实时性的要求，稳定性较高，而且还省下了许多硬线电缆的费用，经济性和实用性都比较高。

1 瓦斯电站工艺流程

贵州某煤矿瓦斯电站共有5台发电机组，煤矿瓦斯由抽放站经传输管道输送到厂房内的各个机组。在输送管道设有细水雾系统、切断阀、放散装置、瓦斯浓度、温度和流量检测装置。瓦斯电站工艺流程如图1所示。

图1 瓦斯电站工艺流程图

2 瓦斯电站后台监控系统硬件组成

煤矿瓦斯电站后台监控系统采用SIEMENS S7－200系列PLC系统，配置其他相关硬件组成煤矿瓦斯电站后台系统的硬件部分。本系统硬件部分主要分为服务器、操作站和控制站3部分，其结构如图2所示。

图2 瓦斯电站后台监控系统硬件组成图

2.1 服务器

本系统采用一台性能较好的工控机作为服务器，服务器配置西门子CP5611网卡，与S7－200控制站组成西门子Profibus－DP网络，可使用西门子STEP7MicroWin软件对控制站进行硬件组态、程序编制和状态监控。同时，服务器通过以太网交换机与操作站和串口转换器组成工业以太网，通过软件配置将串口转换器上的多个串口映射到服务器，服务器可直接对各串口进行读写操作。服务器上安装有OPC软件，可作为OPC服务器使用，另外，服务器还能完成报表的生成和打印任务。

2.2 操作站

操作站由研华工控机和基于Windows系统平台上的西门子WinCC监控软件组成，通过工艺流程图、机组状态图、报警图、趋势图这些丰富的人机界面，操作员可以设定、查看过程参数或状态，查看故障报警明细。整个操作界面采用“向导式”的结构，大大方便了操作员的操作。

2.3 控制站

控制站采用西门子S7－200系列PLC，其功能强大，性价比高。本系统采用3套S7－200系列PLC，分别用于瓦斯传输系统、细水雾系统和余热锅炉系统。3套控制站与服务器通过DP接口组成西门子Profibus－DP网络，他们之间可以相互通讯。

2.4 Modbus网络和现场仪表

本系统采用Modbus－RTU的传输方式，电气接口定义为RS－485接口，传输介质采用屏蔽双绞线，其他相关参数设置为：波特率9 600kb/s，数据位8位，停止位1位，校验方式无。在主控室设置一台16口串口服务器，每个串口对应现场一台设备或仪表，以减少通讯数据延迟，现场仪表均采用防爆型，保证了系统的安全性和稳定性。

3 系统实现方式

根据瓦斯电站工艺流程和控制要求的特殊性，在设计后台监控系统时，一方面将整个复杂系统分成几个分系统，独立设计，以避免当某个部分出现问题时影响整个电站后台监控系统的运行；另一方面，在设计分系统时应尽量选择应用广泛、技术成熟度高、性价比高、维护简单、维护成本低的设备和技术；另外，在监控界面的设计上，遵循优选画面简洁、易于操作的设计原则，以便于操作人员和维护人员操控。

3.1 分系统设计

根据网络协议的不同，整个瓦斯电站后台监控系统可分为 Modbus－RTU网络系统、Profibus－DP网络系统、TCP/IP网络系统和OPC网络系统4部分。

3.1.1 Modbus－RTU网络系统

该网络内主要设备为机组电气控制模块、机组热工控制模块、流量积算仪和串口转换设备。网络架构是在主控室设置一台串口转换器，负责将RS－485口转换为RJ45口，本转换器可同时将多个串口转换为一个RJ45口，然后将RJ45口连接至工业以太网交换机，转换器的每个串口对应现场一台设备或仪表，这样可以提高系统的稳定性，减少通讯数据延迟，以保证系统的实时性和可靠性。

3.1.2 Profibus－DP网络系统

Profibus－DP网络系统通讯协议为Profibus－DP协议，电气接口定义为SIEMENS DP接口，传输介质采用西门子DP总线电缆。网络内主要设备为S7－200控制站、CP5611网卡和服务器。网络架构是服务器通过CP5611网卡和其他S7－200控制站一同挂在DP总线上。

3.1.3 TCP/IP网络系统和OPC网络系统

TCP/IP网络系统和OPC网络系统主要是指工业以太网，涉及设备包括服务器、操作站和以太网交换机，其中服务器既作为WEB服务器，又作为OPC服务器。

3.2 软件选择

3.2.1 服务器软件选择和配置

服务器是整个后台监控系统的核心，负责整个系统的数据采集、交换和处理工作。服务器一方面将现场数据采集上来，另一方面通过一台防火墙连接到厂级办公网，利用WEB发布功能将数据发布出去。服务器预装Microsoft Windows系列操作系统，配置的应用软件有 MicroWin、Kepware、SIMATIC WinCC、Microsoft Visual Studio 2010。

3.2.2 操作站软件选择和配置

操作站是后台监控系统的客户端，预装了Microsoft Windows系列操作系统，配置的应用软件为西门子SIMATIC WinCC监控组态软件，通过工艺流程图、机组状态图、报警图、趋势图这些丰富的人机界面，操作员可以设定、查看过程参数或状态，查看故障报警明细。整个操作界面采用“向导式”的结构，大大方便了操作员的操作，如图3所示。