基于S7-300PLC的煤矿井下供电监控系统

基于S7-300PLC的煤矿井下供电监控系统Monitoring System Based on PLC for Power Safety in Coal Mine Underground摘要：井下供电系统是为了保障煤矿安全生产和工人生命安全而设计的。根据煤矿井下供电系统的控制要求，基于西门子S7-300系列PLC的供电系统来实现对开关柜的监控。此供电系统实现了“五遥”控制、保护压板投退、保护定值上传及下传及保护装置复归等功能，提高了供电的安全性。关键词: PLC；井下供电系统；自动控制Abstract: This design of power supply system underground is to guarantee production safety of the coal mine and workers life safety. According to the control requirements of underground power supply system, power supply system based on SIEMENS S7-300 series PLC to achieve the monitoring of switch cabinet. This power supply system realize the “five remote” control, protection plate switching, download or upload of protection setting value and protection device reverting, improving the safety of the power supply.Key Word: PLC; Monitoring system underground; Automatic control井下供电系统是煤矿安全生产的主要设备之一，具有极其重要的作用。因为井下供电系统的供电对象不仅包括采掘面电机的运转，还涉及到井下电车、水泵的供电，所以供电系统一旦出现故障，不仅会造成生产效益的损失，也会对井下工人的生命安全造成威胁。所以就需要井下供电监控系统与其他监控系统一起对全矿井的安全及生产进行实时监控，确保煤矿的安全生产。1 井下供电控制系统的总体设计1.1 控制系统的功能设计煤矿井下供电一体化数字控制与管理系统可实现井下共5个变电所的集中监控。本系统的主要功能有：1）遥测功能。采集现场各开关柜的实时电气参数如电流、电压、有功、无功、功率因数、频率等等，经由通信线路，传送到地面变电所供电调度控制中心，通过安装在上位机上的监控软件加以显示。2）遥信功能。采集现场各开关柜的断路器状态、手车位置、刀闸状态、遥控/本地/设置三位锁位置等状态信息，以及继电保护压板和保护动作等信息，经由通信线路，传送到地面供电调度控制中心，通过监控软件加以显示。3）遥控功能。通过监控软件可实现对现场各开关柜断路器进行远程分合闸操作。4）保护压板投退功能（遥控）。通过监控软件可实现对现场各综保装置的保护压板进行远程投退操作。5）保护定值上传及下传功能（遥调）。通过监控软件可实现对综保装置的保护整定值进行远程查看及远程修改操作。6）保护装置复归功能。现场保护装置出现事故告警或保护动作以后，通过监控软件可实现对该保护装置进行复归操作。7）顺序事件记录功能。通过监控软件可实现对综保装置的顺序事件记录进行查询操作。8）报警功能。当现场电气参数的实时值超出预先设定的限值范围时，断路器分合闸或继电保护动作时，监控软件能即时发出报警信号，以提醒操作人员尽早做出相应处理。9）存档功能。能够将现场运行信息存入数据库，以便于随时进行历史数据查询。1.2控制系统的结构设计煤矿供电监控系统由三大部分组成：地面供电调度层、井下变电所监测分站层、井下电力测控单元层。总体结构如图1所示，1地面供电调度层是一套供电系统专业版组态软件系统，按照井下供电系统监控的设计规范，对供电系统进行监测、控制、统计和分析。地面供电调度层装设有上位机。上位机由两台高性能的工控机组成。上位机通过光纤与井下3个变电所进行数据传输，监视画面可对3个变电所的所有数据进行显示，可在不同变电所监控界面间方便地切换。后台监控主机与各变电所PLC控制柜之间通信采用工业以太网，具有通信速度快、稳定可靠等优点。通过配备报表打印机和事件打印机，系统可实现报表打印、事件打印功能。2井下监测分站是地面供电调度中心和电力测控单元之间的桥梁，它主要用于与井下高压开关内的综合保护装置的通讯，另一方面还要完成故障录波、数据传送、数据存储、命令下达、当地监控，通过井下工业以太环网，与地面监控中心实现远距离通信。其安全可靠性对整个系统起到至关重要的作用。在井下中央变电所内装设集控柜，并带有触摸屏操作界面，主要负责实现对中央变电所和采区的集控功能。集控柜使用西门子S7-300系列PLC来实现变电所的集中监控功能，PLC一方面负责采集变电所内的现场运行信息并通过通信线路上传至地面供电调度控制中心进行集中显示，另一方面接收操作员通过调度控制中心监控软件下发的各种遥控命令，实现远程控制功能。3电力测控单元（综合保护器）的作用主要负责变电所设备的数据采集与转发，并下发执行地面监测中心发出的遥控命令。电力测控单元（综合保护器）的作用主要负责变电所设备的数据采集与转发，并下发执行地面监测中心发出的遥控命令。为实现采区变电所的集控功能，分别将各采区变电所所有型号一样的保护装置接入485总线，总线出口端接到一台防爆光端机上，然后通过光缆分别传至中央变电所集控柜PLC系统的CP340模块内进行通信。本系统还具备视频监控功能，来自各变电所内摄像头的视频信息通过光纤传输到地面供电调度中心，通过视频终端进行显示。通过视频监视，所有变电所的情况一目了然，使得供电系统的安全运行得到了进一步的保障。系统的结构如图1所示。图1 系统结构2 控制系统的功能设计井下各变电所PLC控制柜都配置有触摸屏人机界面，可在触摸屏上显示接线图和监测参数，完成开关控制。触摸屏选用西门子TP270，触摸屏软件采用Protool组态软件编写，界面美观，操作方便，简单易学。另外，井下PLC控制柜内也装设有以太网通信模块，可与地面供电调度中心互相通信。这样，井下的变电所将具备三种操作方式：就地手动操作、井下集中操作和地面供电调度控制中心远方集中操作，三种方式均可对开关柜实现停送电操作。（1） 就地手动控制（2） 井下集中操作（3） 地面供电调度控制中心远方集中操作3 控制系统人机界面（HMI）设计控制系统中人机界面是工作人员与控制系统互动的平台。在本控制系统中人机界面主要由上位机和下位机2 部分构成。3.1 上位机（HMI）设计上位机的人机界面设计常用的监控组态软件有西门子的Wincc Flexible、Protool以及Intouch。在此次上位机组态软件采用Intouch，它是一个基于微软Windows 操作系统，开放的可扩展的人机界面设计软件，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。监控主界面如图2所示：图2 上位机监控画面3.2 下位机HMI设计下位机人机界面的设计主要是指井下PLC 集控柜中触摸屏的组态设计，操作员可以通过触摸屏进行系统的控制方式选择并能够检测各类参数和控制流程的正确性，同时能够通过点击触摸屏上的按钮将命令发到PLC中，完成控制的要求。在本控制系统中，利用西门子的Protool软件来设计组态画面，画面列出了监控的各类参数和控制按钮供工作人员实时监测与控制。监控界面如图3所示： 图3 触摸屏监控界面主接线图界面通信状态界面中，监控范围内的不同变电所分别用虚线框框了起来，点击虚线框内的任意一点，可以将画面切换到相应变电所的主接线图界面。如图4所示： 图4 主接线图该图实时显示了各开关柜的断路器状态。单击主接线图的任意一处，将进入相应母线段的监控界面。高压部分主接线图上部一般还设有四个按钮，分别是“保护压板”、“保护定值”、“事件记录”和“综保校时”，点击这些按钮，可进行保护压板投退状态查询及修改，保护定值上传及下载，顺序事件记录查询或综保统一校时操作。4.结束语在对该煤矿井下供电系统进行改造时，利用PLC及其通讯网络将井下各供电监测分站与地面监控中心连接起来，作为煤矿综合自动化系统的子系统，在地面生产调度指挥中心统一监控，实现矿井下供电设备的“五遥”功能，为进一步实现井下供电监控系统的无人值守打下了基础。本系统已投入现场正常运行3年, 为井下掘进、排水等机械提供了可靠的供电。参考文献：1王旭波