基于PLC的煤矿供电测控与管理系统设计

李倩倩，夏蓉花，邓 斌，夏正龙

（1.江苏师范大学科文学院，江苏徐州 221000；2.江苏安全技术职业学院，江苏徐州 221000；3.江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏徐州 221000）

0 引言

矿井各级变电所的稳定运行直接影响煤炭的安全开采，同时煤炭的安全开采更是煤矿安全生产的保障[1]。大量资料表明，对于大多数煤矿安全事故发生的根本原因，一方面是对井下各级变电所的数据无法做到实时监测导致信息互通不及时；另一方面是对井下变电所内综保设备无法集中控制导致设备管理不统一。随着国家对于煤矿安全生产的高标准、严要求，对煤矿井上井下各级变电所进行集中化测控与管理来提高煤矿变电所自动化、智能化的程度越来越重要。

实现对各级变电所的集中测控，需要搭建一个覆盖井上井下各级变电所的集中管理控制平台[2]。一方面是为了实现对井上井下各级变电所内设备仪表相关数据的实时采集监测监控；另一方面，由于煤矿设备厂家众多，很难做到设备由统一厂家提供，因此变电所内微机综保设备会因生产厂家的不同造成通讯协议的不统一，不利于实现各类智能综保仪表之间的相互通讯，可以利用西门子S7-1500 系列PLC为底层控制器对不同规约的智能综保设备进行编程解析来对煤矿井上井下各级变电所各高低压开关柜中的电气参数进行采集处理，实现在地面中央或区域集控室对井下各区域变电所高低压的电压、电流、有功功率等参数进行监测，对井下高低压综保单元开关进行远方分合闸操作[3]。

1 研究内容与目的

煤矿变电所作为整个煤矿井上下机电设备供电的支柱，其安全运行是整个煤矿安全生产的保证。因此，开发一套针对井上下变电所供电的监测与控制的一体化管理系统尤其重要。

1.1 研究内容

设计来源于江苏省产学研项目，项目研究内容主要包括对变电所二次设备中高压柜体内部线路改造、高压柜体内部仪表综保设备进行升级改造来搭建出一个集监测与控制一体化的变电所供电管理系统，系统主要基于西门子S7-1500系列可编程逻辑控制器PLC 作为底层中央控制器与智能综保设备组成下位机采集执行系统[4]；利用Profinet 总线与Modbus总线混合使用组成新的现场总线模式再结合工业以太网组成通讯系统；利用工控机加Intouch 工业控制组态软件对采集到的数据进行可视化处理组成上位机平台，设计出了一套“基于西门子PLC 煤矿变电所监测与控制一体化管理系统”。

根据实际项目展开，因此需结合矿方对于自身实际需要所提出的一系列要求，因此本课题主要研究方向如下。

（1）针对矿方变电所内一些仪表以及综保设备无法与中心控制设备PLC 进行通讯连接的问题，对矿区变电所内部分仪表以及综保设备进行升级改造更换为智能仪表和智能综保设备。

（2）针对矿方设备生产厂家众多导致通讯协议存在差异无法进行通讯的问题，利用西门子TIA软件对设备协议编程解析设计在线规约解码器使双方之间完成互联通讯。

（3）针对矿区原有上位机系统中无法兼容下位机新添子功能可视化的问题，利用Intouch 软件对上位机进行“五遥”系统可视化界面设计。例如对变电所柜体内部电力参数、综保设备状态以及继保参数整定等功能实现可视化；利用MCGS或TIA软件对矿井变电所内部控制柜内触摸屏进行界面设计，实现各级变电所可以进行就地控制等预留安全操作。

1.2 研究目的

根据对煤矿变电所老旧设备进行硬件升级换代、变电所柜体接线以及软件编程方面的升级改造来设计出一套“基于西门子PLC 的矿井变电所供电监测与控制一体化管理系统”，目的是提高煤矿供电安全可靠性、输电质量与效率，减少煤矿变电所运维成本，保障矿区人员安全，实现先进的煤矿井下各区域变电所无人值守功能。

2 系统概述

基于PLC 的煤矿变电所供电监测与控制一体化管理系统结构图如图1所示，整个系统按照3层结构设计，主要为管理层、控制层与操作层。其中，管理层是整个系统最重要的部分，主要包括各个功能数据存储服务器与上位机监测系统，例如实现遥视功能的视频服务器、实现煤矿外部监测与控制的WEB 服务器等。控制层是整个系统的核心层，主要是对各个分区变电所的数据进行采集传输以及对上位机发出指令的传达等功能，此层稳定快速的运行是整个系统能够稳定运行的关键[5]。操作层处于系统的最底层是整个系统运行的基础，包括一些智能仪表、智能综保单元、传感器以及视频监视器等设备，其主要功能是对变电所内电流、电压、功率因数等电参数以及煤矿压风机油温、综保开关状态等数据的采集；对集控室下达的开关分合、数据整定等指令的执行。

图1 基于PLC煤矿变电所供电一体化监测与控制整体结构图

3 通讯系统概述

根据煤矿用电量大、供电安全性要求较高等特殊性将矿区变电所分为井上变电所和井下变电所，井下变电所又包括井下中央变电所以及各采区变电所等，因为其变电所种类繁多加上井下设备工作的要求机器启停频繁容易造成谐波，对矿井变电所通讯系统的可靠性要求极高[6]。矿井变电所通讯总线的选择决定变电所通讯系统的质量，通讯系统的设计对于矿井供电监测系统的遥信、遥测、遥控、遥调、遥视“五遥”功能的实现具有重要意义。

3.1 通讯总线选择

现场总线是指将现场设备与集控室内控制单元等之间进行互连的数据总线，又被称为自动化工业控制领域的计算机局域网络，是一种数字化、多点通信、多分支的底层控制网络[7]。对于现场总线的选择需要从适用程度出发，要根据工程功能的不同选择不同类型的现场总线，根据本系统中传输范围广、传输实时性要求较高以及电磁干扰较强等因素，选择RS-485总线结合Profinet总线的现场总线模式。

3.2 RS-485总线简介

RS-485 接口接线有两种方式，分为两线制和四线制，其中四线制接线只能实现点对点的通信方式，因其局限性现很少采用，多采用两线制接线方式，此接线方式为总线式拓扑结构，同一总线上最多可以挂接32个节点。RS-485通信传输是一种串行的主从方式，在系统设备组成的一个环网中每个设备都有唯一的地址，但其中只有一个主机设备能够建立协议，一般为PC 机或PLC 等终端设备，其他的设备为从机，只能根据主机发出的查询做出相应的响应动作[8]。RS-485接口标准参数如表1所示。

表1 RS-485接口标准参数表

设计借助以太网的CSMA/CD 协议方法采用总线侦查的方式，在发送端发送数据时先对总线侦查是否有节点正在发送数据帧，若有，则等待；若没有，则向总线发送申请帧。终端设备使用的接口通常是RS-232 串行通信接口需要借助RS-232 转RS-485 的转换器，系统中所使用终端设备为西门子S7-1500系列PLC，因此所使用的转换器为西门子公司自主研制的连接器。RS-485 总线接线方式结构框图如图2所示。

图2 RS-485总线接线方式结构框图

3.3 Profinet现场总线

Profinet 是德国西门子公司推出的一种在以太网与profibus之间全开放的通讯协议，是基于工业以太网技术的新一代自动化现场总线。Profinet 在提出时提供了与各种现场总线进行互连的接口，可以做到将现有现场总线到基于以太网Profinet 总线的转换。根据响应时间的不同Profinet 可以分为TCP/IP 标准通讯、实时RT 标准通讯以及同步实时IRT 标准通讯3种通讯方式。TCP/IP标准通讯协议是目前网络通讯中使用最为基本的通讯协议，其响应时间在0.1 s 左右，完全能满足绝大多数工业设备的控制[9]。

系统考虑到煤矿现场设备生产厂家混杂造成每个设备通讯协议不同，且不同通讯协议想要统一集成难度较大，考虑是否可将现场设备通讯协议统一转换为Profinet 协议，通过煤矿光纤环网与上位机进行通讯进行监测与管理各级变电所。结合上述情况以及从可靠性和最大限度节约成本的条件出发本系统选择采用Profinet总线与RS-485总线混合使用。在各级变电所内通讯分站与智能仪表和综保设备之间选用RS-485总线，各通讯分站与主站之间选用实时RT标准的Profinet现场总线。现场总线结构图如图3所示。

图3 Profinet与RS-485结合现场总线结构图

4 下位机系统设计

煤矿变电所测控平台下位机系统的设计主要包括硬件和软件两大部分。根据矿方提出安全可靠、高效智能的理念对变电所内部硬件系统涉及数据采集、传输设备进行更替改造，对软件系统进行性能提高、编程优化等方面的升级改造以实现矿方所提性能要求。

4.1 硬件系统设计

煤矿变电所一体化测控与管理系统为主从结构的系统，井下变电所可以看作主系统的通讯分站子系统。随着煤矿自动化、智能化生产的要求不断提高，各煤矿对于井下变电所的建设提出严格标准，具体在井下变电所对信息采集实时性、可靠性以及大量信息传输方面提出要求。课题在煤矿井下变电所原有基础上结合矿方提出的性能指标要求，对井下变电所进行改造升级建设。井下变电所主要功能便是信息的采集与传输，此处对信号进行采集与传输主要是西门子PLC与各类智能仪表[10]。煤矿井下变电所下位机硬件系统结构图如图4所示。具体设备选型如表2所示。

图4 煤矿供电下位机硬件系统结构图

表2 煤矿变电所管理平台下位机系统设备选型表

4.2 软件系统设计

软件系统是整个变电所测控系统不可缺少的一环，实现煤矿井上、下供电一体化测控与管理平台建设的核心工作在于PLC 测控系统软件的设计；硬件系统电路功能的正常运行需要借助软件的控制，因此测控系统的软件设计非常重要。软件系统发出指令到硬件系统，双方协同完成对数据的采集、传输，同时软件系统还需对数据进行处理、对结果进行控制输出等功能[11]。软件系统设计时应注意的问题：（1）程序设计应采用结构模块化方式，便于调试、修改和移植等；（2）程序设计应注意合理分配控制器系统资源，防止不必要的存储空间占用，提高软件系统的运行速度。

根据项目集控原则与硬件设备技术要求，测控软件在西门子公司TIA Portal V15 博途环境下使用STL语言与LAD语言结合的方式进行编程，STL语言进行数据处理快速准确，LAD 语言进行结果调用简洁方便。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

基于西门子PLC 变电所测控系统的主程序主要包括以下几个模块化程序：PLC 初始化程序模块、PLC自检程序模块、高低压综保单元与智能仪表之间通讯协议解析程序模块等。首先，上电启动PLC，其内部监视定时器启动PLC 进行自检，若自检正常继续执行来自外设的命令，若自检不能正常运行则会进行报警提示，对报警原因进行自查，若自检原因为错误则跳转去执行复位监视定时器命令，若自检原因为警告则继续执行来自外设的命令。每次执行主程序之前需要执行一次初始化程序，初始化完成后调用执行对高压综保协议进行解析的程序块，执行完毕后会进行一个中断时间检测，若到达中断时间进行一次统一校时命令，若不到达中断时间则继续调用执行对低压综保设备协议进行解析的程序块[13]。对高低压综保协议解析程序执行完毕后，对输出进行刷新执行相应的服务，接着复位监视定时器继续循环执行上述程序。

在PLC 主程序中编写一个主程序执行时间监测程序模块，这个程序模块主要用来检测PLC 程序执行时间来辨别PLC 与其他设备之间是否通讯正常，如果出现超时现象，为了防止PLC出现死机，会执行错误复位重启监视定时器或者给出报警提示动作[14]。因为主程序的执行时间与程序的复杂程度对PLC 本身性能有很大要求，此系统程序中包含多个高低压综保单元与智能仪表数据较多，因此设定此程序执行时间为0.2 s。若PLC自检执行时间没有出错，PLC会响应使用用户的要求与通讯总线上的高低压综保单元和智能仪表进行通讯，执行相应的检测与控制功能。执行主程序时，PLC的CPU根据令牌码进行站点轮询，按照功能码切换准则判断出相应的逻辑要求，跳出主程序调用令牌指令对应的子程序功能块完成相应的功能，当执行完子程序功能块后返回到跳出点继续循环执行接下来的程序。遥测仿真实时DB块数据如图6所示。上位机监测如图7所示。

图6 遥测仿真实时DB块数据图

图7 上位机系统监测图

5 结束语

本文主要针对目前煤部分老旧矿中井下变电所内供电设备的智能化程度不高导致数据无法实时传输以及变电所子系统众多（例如：机组DCS 子系统、信息管理子系统、数据传输子系统等）导致接口混杂难以实现集中管理与监测的缺点，开发一套煤矿变电所远程测控管理系统。该系统通过各级变电所设备升级改造后的智能仪表与综保装置采集变电所供电设备的实时数据，将采集到的数据与电参数经过PLC进行对应的解析处理后通过矿井光纤环网传输给地面中央集控室中的上位机系统中，由上位机系统相关软件对采集到的各级变电所数据以及运行状态进行可视化处理[15]，最终实现地面集控室对井下各级变电所运行状态的监测，设计出集遥测、遥调、遥信、遥控、遥视的“五遥”功能煤矿供电测控与管理平台。