基于MCGS组态软件的煤矿电网能耗监控系统

崔仁杰

(霍州煤电集团有限责任公司 辛置煤矿， 山西 霍州 031400)

煤炭生产过程复杂，生产工序多，随着煤矿自动化、信息化程度的不断提高，用电设备增多、耗电量大，其电耗成本占原煤生产总成本的35%以上，是矿井的主要耗能因素之一[1-2]. 目前，辛置煤矿对现运行设备电能数据未采集，无法有效分析设备运行状态，无法提前识别故障问题，导致矿井存在一定的安全隐患。同时，无法监控设备的非正常用电，导致出现电能浪费严重的状况。为解决以上问题，亟需设计一款能监测与控制煤矿电网能耗的系统。

1 能耗监控系统的组成

矿山智能电网能耗监控系统，是基于MCGS组态软件设计开发的。该系统通过设备电度表实时监控井下各设备的用电情况，将数据通过光纤发送至主机，通过曲线显示，直观地分析电量的变化情况。当数据发生较大波动时，系统会自动预警，并在相应位置做出紧急处理，旨在全方位实现矿井电能监测，有效避免电能浪费，同时电能发生波动时，系统预警，降低矿井的安全隐患，提高矿井的自动化水平，增加矿井的效益[3-4].

监测系统主要由两部分组成，上位机监测系统以及通信基站，总体设计图见图1. 通过各设备安装的智能电表对用电数据进行采集，通过光纤收发器，发送至交换机，随后将信息快速准确上传至监测与通讯分站以及监控主机，主机将数据以报表的形式分享至其他系统，将其作为矿井成本控制的一项重要依据。

1.1 上位机监测系统

在能耗监测与控制系统中上位机监测系统作为整个系统的“大脑组织”，通过监控主机、其他办公计算机以及打印机将数据进行收集处理，统一显示在计算机上。由于监控主机安装有MCGS通用版软件，因此当数据传输至监控主机时，主机会将异常数据进行标注，并报警提醒。上位监测系统结构组成示意图见图2，该系统除了可以将井下各设备的用电情况以及节能装置运行情况实时数据显示外，还有查询历史数据的功能，当数据出现异常时，系统在报警的同时，会将异常数据汇总，发送至该项数据管理工程师手中，协助他们第一时间进行故障定位排除。

1.2 井下能耗监测与通信基站

在整个控制系统中，光纤作为系统的“血管”，执行信息传递的任务，而通信基站则是作为系统的“心脏”，实现井下用电设备与节能装置的相互通信、实时参数信息的收集处理、井上井下信息交互的功能。基站主要由光纤收发器、触摸屏、通讯服务器、内部交换机和PLC组成[5].通信基站通信结构见图3.

图1 系统的总体设计图

图2 上位监测系统结构图

图3 通信基站通信结构图

2 系统通信设计

为了实现两台设备间的通信联系，需要建立设备通信协议，即只有两台设备建立以及遵循设定的通信协议，其之间才可以进行通话。而在不同设备之间，通信协议多样，每种协议均有自己的通信范围。因此，为了实现设备的信息互通，需要采用符合当下的通信协议以及通信规范。

2.1 多功能电表通信设计

辛置矿现使用的电表多为多功能电表，其通信协议尚未采用标准协议，目前采用的是自身协议，只可以与带有RS-485接口的设备实现信息互通。而在MCGS软件中需要根据现有的通信接口，开发一款适合电表的通信驱动。利用脚本开发MCGS设备通信驱动的工作原理见图4. 驱动开发结束后，电表可以与系统实现通讯，执行电表电量的信息采集。

设备通信驱动的开发是作为电表信息互通的关键一步，在基础的MCGS软件中用于脚本驱动开发的方式一般有两种，该设计选择非向导流的开发方式进行电表通信协议驱动设计。在开发之前第一步应该选择正确的脚本驱动的配置属性以及相对应的设备通道，配置结束后，利用所对应的接口函数进行驱动程序的编写，编写结束后将编写的驱动添加到驱动列表中，即可正常使用。

图4 工作原理图

2.2 井上井下通信设计

通过开发脚本将电表通信并入系统，将电表采集的电能信息通过光纤首先到达通信基站。为了实现井上信息互通必须建立井上监控与通信基站之间的数据传输。目前井上监控主机与井下监测通信基站之间的数据传输是通过TCP/IP协议实现的。通信基站中安装有嵌入版MCGS组态软件的触摸屏，屏幕通过与电表的通信接口互联，通过智能电表采集设备的电量后，经过以太网将数据上传至监控主机，从而实现井上主机对井下用电的实时监测。通过MCGS软件环境的设备参数窗口可以选择通用协议的TCP/IP父设备与Modbus TCP/IP的子设备，通过设置父/子设备的参数信息，便可以实现TCP/IP通信设计。在进行通用TCP/IP设备属性配置后，应重点核对相关的本地以及远程的IP地址以及端口号，当编写子设备属性时，提前命名相关的连接变量与通道名称，防止书写错误而导致的系统报错。

3 系统组态设计

能耗监控系统在完成通信设计后，还需要对系统的井下通信即触摸屏的嵌入版以及井上监控主机通用版的MCGS软件进行组态设计，才能基于MCGS软件真正实现各设备的监测与控制。

3.1 通用版MCGS组态软件介绍

MCGS软件运行分为组态环境、运行环境两种。其中组态环境指的是参数设置、设备汇总、数据库生成等搭建基础工作；而运行环境指软件的主界面，在主界面中可以通过数据直观地了解软件正常运行的基础条件，从而实现整个组态软件的运行规划。MCGS软件运行流程见图5.

图5 MCGS软件运行流程图

3.2 嵌入版MCGS触摸屏组态设计

嵌入版MCGS结构图见图6，该版本较通用版支持可视化，具有硬件适应性强、处理速度快以及异常数据预警等功能。由于嵌入版的功能众多，触摸屏组态软件选择将其作为基础环境进行搭建，使触摸屏实现数据读取、采集、处理以及上传等功能。

1) 窗口设计。

在触摸屏的众多窗口中，用户窗口对于美观实用性要求最高，而对于数据库设计则考验的是系统的性能以及传输的响应。在电网能耗监控系统中，用户窗口主要分为两种，包括井下用电设备参数检测窗口以及节能装置运转监测。设备用电参数检测窗口即通过实时的电表检测，将电能曲线上传至触摸屏中，帮助实时监测设备的用电状况以及电能的波动情况。

图6 嵌入版MCG组态软件的结构图

节能装置的运转检测窗口即实时显示电路中的主回路电压、控制电压、补偿电流、补偿容量、功率因数以及温度等参数，通过参数实时显示反映出节能装置的运行情况。节能装置的窗口界面见图7.

图7 节能装置运转监测图

2) 数据库设计。

瞬时响应作为数据库设计的第一要求，在数据库中首先对各个变量进行基础属性设置，其次添加各变量的上下限值，最后设置报警模式，一旦采集数据超出上下范围，系统立即预警发出警报。

4 系统效益

煤矿电网能耗监控系统对煤矿安全运行有重要作用，与节能系统相结合能够为煤矿创造一定的经济与社会效益。为了测试系统，将10#煤层的4-2工作面作为试点进行小范围使用。通过运行，系统的故障率较低，能够稳定运行，当设备出现异常时，电能数据曲线波动异常，系统报警，设备急停，基本达到设计初期对于故障定位的目的，同时通过数月的试点运行，系统达到了设计初期节约月耗电3%以上的预期目标。经预测，系统在该矿进行推广，可实现的煤矿机电系统电能消耗降低幅度为5%～8%，预计运行一年将会节约250～400万元的电费，能够较大程度上提高矿井经济效益。

5 结 语

以MCGS组态软件为基础，开发了一款矿井电网能耗监控系统，该系统分为上位机监测系统与井下能耗监测与通信基站，通过安装通用版以及嵌入版的组态软件，实现了井下设备用电情况实时显示、数据收集处理以及异常预警功能。该系统应用于煤矿企业中，能够配合现有的节能设备以及设备运行监测系统，进一步提高矿井对设备的监控力度，有效降低能耗，提高煤矿的经济效益。