采煤机电气测试平台上位机系统设计

李 雷，黄 伟

（阳泉煤业集团煤机装备研究院，山西 阳泉 045000）

1 采煤机电气测试平台上位机系统设计技术背景

随着矿井生产技术水平的不断提升，对大型综采电气设备可靠性、稳定性的要求也越来越高，因此对于滚筒采煤机的电气检测技术就显得越来越重要。为确保综采工作面滚筒采煤机能够安全作业，提高生产效率，避免采煤机因电气线路部分出现故障而导致意外事故发生，应加大对采煤机电气模块的电气线路部分的检测。传统的电气维修测试方法是在采煤机整体装配完成以后对其上电测试，当采煤机出现电气方面的故障时，需要对每个电气模块及其电气线路部分进行检查，逐步排除和解决问题以消除故障，在这一过程中，会浪费检测和维修人员大量的时间和精力。采煤机运行过程中容易出现主机不启动、牵引方向速度无法改变、摇臂不能升降、遥控器端头站失灵等诸多故障[1]。同时，随着电子通信技术、过程控制系统、组态软件的不断完善和发展，车间设备维修人员也对采煤机电气模块的数据自动采集和监测、远程控制有了更高的要求。因此，为了进一步保证生产安全、提高工作效率、较大程度地节约产能和人工成本，设计一种能够用于快速测试采煤机电气模块的上位机系统显得十分迫切。

本文主要介绍了一种采煤机电气测试平台的上位机系统的结构和功能组成及其设计方案。首先，介绍上位机系统的3 个界面即大电流控制柜界面、低压控制柜界面、报警系统界面的组成；其次，着重阐述上位机系统设计方案，包括上位机系统的用于过程控制的对象连接与嵌入（OPC） 通信设计、变量系统控件组态设计以及报警系统设计；最后，结合实际对上位机系统的3 个界面进行了功能测试，并进行总结。

2 上位机系统界面组成及其介绍

笔者设计的采煤机电气测试平台上位机系统以Windows 7 操作系统为开发环境，采用是WinCC 7.0组态软件为开发工具，并使用SQL Server 2005 为数据库。

该上位机系统界面包括大电流控制柜界面、低压控制柜界面和报警系统界面。3 个界面上均设置有3 个界面跳转按钮，当屏幕显示某个界面时，该界面跳转按钮变为绿色，其余两个界面跳转按钮仍为透明。为了能够及时发现和处理报警情况，每个界面都有一个报警指示灯来指示报警状态，当出现报警时，报警指示灯会红白交替闪烁；而没有发生报警或报警解除时，报警指示灯显示为绿色。

2.1 大电流控制柜界面组成

大电流控制柜界面主要包括1 个交流电压表（交流0～250 V） 控件、1 个交流电流表（交流0～500 A） 控件、1 个交流电压表示数的输出域、1 个交流电流表示数的输出域、时间控件、启动按钮、停止按钮、电流上升按钮、电流下降按钮、时间复位按钮、报警指示灯、近控和远控的显示指示。图1 为大电流控制柜界面。

图1 采煤机电气测试平台大电流控制柜界面

2.2 低压控制柜界面组成

低压控制柜界面主要包括1 个直流电压表（直流0～30 V） 控件、1 个直流毫安电流表（直流0～30 mA） 控件、1 个交流电压表（交流0～220 V） 控件、1 个直流电压表示数的输出域、1 个直流毫安电流表示数的输出域、1 个交流电压表示数的输出域、时间控件、启动按钮、停止按钮、电流上升按钮、电流下降按钮、报警指示灯、近控和远控的显示指示，还有其他按钮分别用来实现采煤机主控器上升、下降、牵启、牵停、截启、截停、显示、方式、向左、向右、加速、减速等功能。图2 为低压控制柜界面。

图2 采煤机电气测试平台低压控制柜界面

2.3 报警系统界面组成

报警系统界面主要包括报警控件和报警指示灯，用来实现对电压值、电流值的模拟量报警。当交流电压表示数或交流电流表示数超过规定上限值时，报警系统界面会显示报警时间记录、报警消息文本及确认报警解除时间。图3 为报警系统界面。

图3 采煤机电气测试平台报警系统界面

3 上位机系统设计方案

3.1 上位机系统的OPC 通信设计

OPC 是一种可以应用在工业领域的开放式系统接口标准，能够在WinCC 7.0 等工业控制软件、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 等电气设备之间进行简单的标准化数据交换。因此，可以在工控机上利用OPC 对采煤机电气测试平台的大电流控制柜、低压控制柜的各项参数进行数据监控、远程调控以及对PLC S7-200 SMART进行数据加工处理。

与此同时，下位机和下位机系统的通信具体是由PLC S7-200 SMART 通过S7-200 PC Access SMART v2.3 软件与WinCC 7.0 组态软件进行OPC通信的[2-4]。由于PC Access 支持以太网协议，因此工控机和PLC 的OPC 通信的硬件连接是通过网线进行连接的。

3.1.1 PC Access 中OPC 通信的配置

PC Access 中OPC 通信的配置分为设置PC/PG通信接口、创建PLC 的站点、添加OPC 变量、测试OPC 通信是否正常4 个步骤：一是在工控机的控制面板里设置PC/PG 通信接口，确定通信方式是以太网方式[2]；二是创建一个PLC S7-200 SMART的站点，并设置相应的名称；三是添加OPC 变量，即在PC Access 数据库里添加需要对PLC 进行读和写的变量，主要分为关于开关按钮的开关量和关于电表示数的浮点数变量两类，这些变量在PC Access 中是通过条目的形式存储的，在条目中主要设置了变量的PLC 地址、变量名称、读写方式；四是在PC Access 的测试客户端依次检验所有条目的通信设置是否正常，在设置完PC Access 数据库后，保存文件以使WinCC 中能够找到S7-200 OPC Server 的组态，以便于对WinCC 进行OPC 通信的相关设置。

3.1.2 WinCC 中OPC 通信的设置

WinCC 中OPC 通信设置主要包括设置OPC 驱动程序、设置OPC 服务器、导入OPC 变量3 个部分：一是设置OPC 驱动程序，在WinCC 的变量管理中添加OPC 驱动程序“OPC.chn”[3]；二是设置OPC 服务器，即设置WinCC 中的OPC 条目管理器，设置本地计算机Local 的系统参数为S7-200 OPC Server；三是导入OPC 变量，把PC Access 数据库中的变量导入WinCC 的OPC 变量目录S7-200 OPC Server 下[4]。

其中，开关按钮所链接的布尔型变量直接通过OPC 服务器和PLC 进行通信；而电压表示数、电流表示数通信则采用Modbus 协议通信和OPC 通信两种通信方式进行数据通信。具体而言，首先设置电表的从站地址和STEP7 中的地址，以实现Modbus 协议通信；其次设置S7-200 PC Access SMART 中的电表的地址，使该地址的值与STEP7 PLC 编程程序中的地址的值相一致；最后实现对电表的OPC 示数通信。

3.2 上位机系统的变量系统控件组态设计

上位机系统的变量系统中，布尔型变量分别与所对应的按钮控件、报警指示灯、近控和远控的显示指示文本框等相链接，设置按钮控件属性中的“全局颜色方案”为否。

1） 按钮控件。对启动按钮设置按钮控件中的“事件”中的“按左键”，使得按下按钮时按钮的背景颜色为绿色；对停止按钮则相应设置，使得按下按钮时按钮的背景颜色为红色；对其他按钮设置按钮控件中的“事件”中的“按左键”和“释放左键”，使得按下按钮时按钮的背景颜色为绿色，松开按钮时恢复白色。

2） 报警指示灯。所链接的变量设置为：当该变量为1 时背景颜色有闪烁效果；当该变量为0 时背景颜色为绿色。

3） 近控和远控的显示指示文本框。所链接的变量设置为：当该变量为1 时远控文本框背景颜色为绿色，远控文本框背景颜色为透明；当该变量为0 时情况则相反。

4） 输入输出域控件。所链接的变量显示设置为保留3 位小数。

5） 电压表控件、电流表控件。其中表盘示数的背景颜色设置为：安全区为绿色，运行区为黄色，危险报警区为红色。

3.3 上位机系统的报警系统设计

根据采煤机电气测试平台的要求，需要对大电流控制柜的调压器输出电压、大电流发生器的输出电流和低压控制柜的调压器输出电压进行报警。由于电压值、电流值均为模拟量，因此在WinCC 组态中要设置为模拟量报警。上位机系统的报警系统组态主要包括报警编辑器的设置和报警显示的设置两部分。图4 为模拟量报警设置。

图4 模拟量报警设置

3.3.1 报警编辑器的设置

报警编辑器的设置主要包括设置消息块中要显示的消息、设置消息类别、组态报警消息的颜色、添加要监视的模拟量变量、设置相应的模拟量报警消息内容以及设置上限值。一是设置消息块中要显示的消息，主要包括日期、时间、编号、消息文本（故障信息）、错误位置（故障代码）[2-4]；二是设置消息类别，分为报警、故障和警告等类别；三是组态报警消息的颜色，报警出现时文本颜色显示为红色，报警确认后文本颜色显示为绿色；四是添加要监视的模拟量变量，包括大电流控制柜的交流电流表所链接的变量dadianliu_dianliu、交流电压表所链接的变量dadianliu_dianya 以及低压控制柜的交流电压表所链接的变量diyadianya_2；五是设置相应的模拟量报警消息内容，分别为大电流控制柜电流超过上限、大电流控制柜调压器电压超过上限、低压控制柜调压器电压超过上限；六是设置上限值，主要是根据大电流发生器的过流值、调压器的过压值确定的，变量dadianliu_dianliu，dadianliu_dianya，diyadianya_2 的上限值分别设置为500 A，250 V，250 V。

3.3.2 报警显示的设置

报警显示的设置中使用WinCC 自带的报警控件“WinCC AlarmControl”来显示报警消息事件。先设置报警控件中设置消息块中要显示的消息包括日期、时间、编号、消息文本（故障信息）、错误位置（故障代码）[2-4]；再修改WinCC 中的“计算机”的启动属性为启动报警记录运行系统和图形运行系统。

4 上位机系统功能测试设计

4.1 上位机系统的通信测试

首先，测试上位机系统的可移植性。把WinCC和S7-200 PC Access SMART 的项目文件和数据库文件传送到工控机上，然后修改工控机上的PC/PG通信接口，并在STEP7 的通信功能中查找CPU，测试联通情况，经过调试发现WinCC 能与PLC 正常通信。其次，测试PLC 和WinCC，PC Access，STEP7 编程程序之间的通信以及共同工作状态，测试结果证明上位机的OPC 通信正常。测试中发现电压表控件示数、电流表控件示数和实际的电压值、电流值相一致，验证了电表和WinCC，STEP7之间的Modbus 协议通信正常。最后，测试多台上位机的OPC 通信连接情况，通过使用网线和TENDA 交换机把两台WinCC 上位机连接起来[5]，通过测试发现两台上位机均能正常通信和工作且互不干扰。

4.2 上位机系统的操作测试

上位机系统的操作测试界面是大电流控制柜界面和低压控制柜界面。下面结合具体实例，介绍采煤机电气测试平台上位机系统的操作测试。

4.2.1 上位机大电流控制柜界面的操作测试

1） 准备工作。在进行大电流控制柜的操作测试前，先完成电路连接、大电流控制柜相关设置和集控柜相关设置。一是电路连接，先将电流发生器输出侧导电带穿在所测采煤机油泵电机、行走电机或者截割电机的电流互感器中，再将一根19 芯的电缆与大电流控制柜连接；二是大电流控制柜相关设置，闭合大电流控制柜操作面板上的空气开关，大电流控制柜的电源指示灯亮；三是集控柜相关设置，把集控柜上的转换开关切换至远控操作端，先按下集控柜的启动按钮，再按下显示屏开机键，上位机系统运行后在集控柜显示屏上选择大电流控制柜操作界面。

2） 上位机大电流控制柜界面的操作测试内容。准备工作完成后，首先，按下大电流控制柜界面上的启动按钮，观察大电流控制柜启动按钮、运行指示灯的工作情况。其次，按下电流上升按钮，观察导电带上的电流是否上升，电流表控件上是否能够显示出当前导电带上的电流值。再次，按下电流下降按钮，观察电流表控件示数是否下降，并观察电流表显示的电流值是否能够调节至零。最后，把集控柜上的转换开关切换至近控操作端，观察上位机系统是否仍然能够控制大电流控制柜。

3） 上位机大电流控制柜界面的操作测试结果分析。测试发现，在大电流控制柜界面上，按下相应的界面跳转按钮后，确实可以跳转到其他的界面。在按下电流上升按钮、电流下降按钮后，电流值能够迅速地上升或者下降，并且可以将电流值降为零。大电流控制柜界面的输入输出域可以准确地显示出电流表示数。启动按钮、停止按钮能够满足起保停电路的要求，即按下后可以一直保持，不会跳变，而且满足互锁的要求。电流上升按钮、电流下降按钮、时间复位按钮能够满足按下时常开触点闭合、松开时常开触点断开的要求。把集控柜上的转换开关切换至近控操作端后，上位机系统不能够再对大电流控制柜进行控制，从而避免了远控操作和近控操作出现冲突和矛盾的情况。

4.2.2 上位机低压控制柜界面的操作测试

1） 准备工作。在进行低压控制柜的操作测试前，要先完成电路连接、低压控制柜相关设置和集控柜相关设置：一是电路连接，先将测试平台连接器与采煤机主控器相连接，再将一根19 芯的电缆与低压控制柜连接；二是低压控制柜相关设置，开启低压控制柜操作面板上的空气开关；三是集控柜相关设置，把集控柜上的转换开关切换至远控操作端，先按下集控柜的启动按钮，再按下显示屏开机键，上位机系统运行后在集控柜显示屏上选择低压控制柜操作界面。

2） 上位机低压控制柜界面的操作测试内容。准备工作完成后，首先，按下启动按钮，观察启动按钮指示灯是否变亮，采煤机电控装置是否上电。其次，依次操作测试平台上的上升、下降、牵启、牵停、截启、截停、显示、方式、向左、向右、加速、减速等功能按钮，并结合采煤机显示屏观察显示动作情况。最后，调节模拟电流电位器，观察低压控制柜电流表示数、电压表示数情况。

3） 上位机低压控制柜界面的操作测试结果分析。测试发现，启动按钮、停止按钮、电流上升按钮、电流下降按钮均能正常工作，并满足互锁的要求。上升、下降、牵启、牵停、截启、截停、显示、方式、向左、向右、加速、减速等功能按钮均能按照开关按钮的常开触点的控制需求，实现相应的控制功能。直流电压表控件、直流毫安电流表控件、交流电压表控件均能显示出符合精度要求的真实的电流值、电压值。测试中出现了低压控制柜界面按钮动态背景颜色刷新速度较慢的问题，经过对更新周期和触发器周期的多次修改，最终使得按钮动态背景颜色刷新速度有了较大的提高。

4.3 上位机系统的报警系统测试

1） 上位机系统的报警系统的测试内容。在大电流控制柜和低压控制柜正常工作的情况下，分别按下大电流控制柜和低压控制柜的电流上升按钮，使大电流控制柜的交流电流表示数超过500 A、交流电压表示数超过250 V，使低压控制柜的交流电压表示数超过250 V，观察报警界面和报警指示灯的工作运行状态。

2） 上位机系统报警系统的测试结果分析。测试结果表明，当交流电压表示数超过250 V 或交流电流表示数超过500 A 时，报警指示灯会开始出现红白闪烁的状态，报警界面会出现报警记录，包括报警时间、故障代码、故障消息，提示工作人员及时进行应对处理。当报警解除后，报警指示灯会变为绿色，提示工作人员进行报警解除。

5 结束语

本文结合一种滚筒采煤机电气测试平台的功能和结构，设计了相应的上位机系统，能够实现数据监控、平台控制、报警记录等功能。同时本文给出了该上位机系统的设计方案，并对系统进行了相应的功能测试和调整，最终实现了对煤矿井下滚筒采煤机的电气模块的电压数据、电流数据检测以及大电流控制柜、低压控制柜的远程控制和操作。该上位机系统有利于让现场工作人员快速判断出滚筒采煤机电气模块故障类型和故障原因，并及时解决问题以消除故障，从而有效地提高了煤矿工程技术人员对滚筒采煤机的电气检测和维修能力。