基于PLC的井下变电所在线监测监控系统的设计

1、基于PLC的井下变电所在线监测监控系统的设计针对现有煤矿井下变电所自动化程度不高的情况，唐山开诚电控设备集团有限公司设计了一套在线监测监控系统。该系统以西门子S7300为控制核心，结合现场实际采用工业以太网通信。系统能够实时监测井下变电所各设备的运行状态和各种参数，进一步提高了井下用电管理现代化、控制自动化的水平，实现了井下变电所的无人值守。随着科学技术的迅猛发展，现在煤矿系统的自动化程度越来越高，很多地面变电所都实现了综合自动化控制，但煤矿井下变电所的供电系统比较复杂，环境也比较恶劣，各种高低压综合保护器的类型也不相同，而且变电所和配电点也比较多，加之距离较远，很难实现无人值守。在大多数情况

2、下，配电开关掉电并不是由于供电电缆漏电或短路等故障引起，多是由于线路受到干扰而产生的误动作，由于井下值班人员的专业素质往往不是很高，所以现场很难做到及时送电，严重影响了煤矿安全生产。另一方面，为了便于煤矿安全生产的科学管理，实时了解井下变电所各设备的运行状态，了解某路负载的电流、电压和功率等参数也非常重要。煤矿井下变电所供电服务对象为采煤、掘进、排水、通风等重要生产环节，供电负荷种类繁多，区域分布广，它的安全可靠运行是煤矿安全生产的重要保证。为了保证煤矿井下的安全供电，各种高低压防爆开关都装有带漏电、过压、过流和短路等保护功能的综合保护器，一般都具有通信单元，如提供接口。由于煤矿井下中央变电所

3、和各配电点的综合保护器和配电开关较多，各配电点之间的距离又较远，要传输的数据量非常大，要是一个个把它们都串在RS485总线上，数据读取速度会非常慢，实时性较差，不能满足实际需求。所以本系统采用分路采集的方法，采用工业以太网通信，它的传输速度快，传输量大，实时性好。某煤矿现有井下中央变电所、绞车房配电点等需要在线监测监控。其中中央变电所有6台BKD9-400 型矿用隔爆型真空馈电开关，19台型矿用隔爆型高压真空配电装置，4台水泵，16台矿用隔爆型高压真空配电装置中有4台是水泵的电源柜，4台是水泵的起动柜。绞车房配电点有12台BGP9L-6A 型矿用隔爆型高压真空配电装置。图1为变电所在线监测监控

4、的系统结构图。图,1变电所在线监控的系统结构图1) 硬件设计（1）工控机选用两台台湾研华IPC-610H工控机，构成双机热备。这样当一台工控机出现故障时，可由另一台工控机承担监控任务，而不需要人工干预，保证了系统的安全可靠运行。（2）PLC隔爆兼本安控制箱本设计选用西门子,S7-300PLC，它是在线监测监控系统的控制核心。它的主要任务是收集和处理现场传感信号和控制器的输出信号，继而控制现场各种执行机构。电源模块选用PS-307 10A电源，CPU为315-2DP，由于要把中央变电所和各个配电点挂接在工业以太网上，所以选用CP343-1 工业以太网通信模块，由于综合保护器个数较多，选用CP34

5、1通信模块，它比CP340速度要快。其他模块有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331和远程IO模块(IM153-1)等。图2为中央变电所PLC的硬件组态图。图2硬件组态图（3）以太网交换机以太网交换机主要完成光电信号的转换，在井下的PLC隔爆兼本安控制箱把PLC的数据转换成光信号通过光纤传输，在井上控制室再转换成电信号，通过RJ45口连接工控机。本设计选用,SCALANCE X-200以太网交换机，它有两个光纤接口，4 个RJ45 接口。（4）大屏在地面中央控制室装配一套 2*2 46寸DID液晶拼接大屏，便于值班人员操作控制。2) 软件设计在线监测监控系

6、统的软件主要包括上位机软件和下位机软件，上位机组态软件采用WINCC V6.0下位机编程软件采用STEP7 V5.4。（1）上位机组态WINCC是一套实现现场数据采集，过程可视化及过程监控功能的高性能工业自动化软件。实时数据由WINCC 的高速、高性能的驱动程序通过各种方式采集到过程数据库中。操作人员通过客户机检测现场数据和报警，进行报警确认，控制操作，发送指令到井下PLC，实现真正的分布式控制。所有的工程组态工作，包括画面的构造，数据库的定制，历史数据的存取和关键通信程序均在客户端上完成，这样可以减少整个工程的组态时间和提高系统的可维护性。（2）下位机编程井下变电所在线监测监控系统要实现手动

7、、半自动和全自动控制。把井下控制柜开关打到就地手动状态，就能在井下控制各综合保护器的合闸、分闸、复位，控制水泵各阀门的开、停、保持，这种方式主要用于设备检测或遇到突发情况。在半自动控制方式下，在控制室里按相应操作起停各设备，如一键起泵或一键停泵。在全自动下，水泵可以根据水位变化自动起停。3) 通信关键技术设计通信设计是该系统的最关键部分。本系统主要包括PLC与上位机之间的通信、PLC和ET200分站之间的通信和PLC与各综合保护器之间的通信。（1）PLC与各综合保护器之间通信PLC与各综合保护器之间通过RS485总线连接，RS485总线采用半双工通信方式，其特点是成本低，技术成熟，结构简单，可

8、靠性高，抗干扰能力强。但是如果连接不当，会随着通信速率的提高或通信距离的延长，信号在各支路末端会产生反射，与远方信号叠加，造成通信信号质量的下降。因此采用双绞线连接，在总线的末端串一个终端电阻，这样可以减少电磁干扰和信号的反射。（2）PLC 与分站之间通信井下变电所设备较多，要采集的数字量和模拟量也较多，因此增设了ET200分站，PLC通过Profibus-DP连接ET200分站。（3）PLC与上位机WINCC 之间通信PLC与上位机的通信常见的主要有五种。第一种是WINCC使用CP5611卡通过MPI连接PLC，但这种通信传输距离很近，不满足本系统的要求；第二种是WINCC使用CP5611卡

9、通过Profibus-DP连接PLC，但这种通信的传输距离也不是很远，当距离较远时中间要加中继，而且通信介质要用专配的DP线；第三种是使用CP1613卡通过Industrial Ethernet连接PLC，这种方法同样成本比较高；第四种是WINCC使用普通网卡通过TCP/IP 连接PLC，将WINCC 组态计算机的IP地址和PLC以太网通信模块CP343-1的IP地址设置成同一网段，此时WINCC中的变量需建在TCP/IP下；第五种是WINCC使用普通网卡通过Industrial Ethernet连接PLC， 设置好以太网通信模块CP343-1的MAC地址和PG/PC接口，把WINCC中的变量

10、建在; Industrial Ethernet下。本方案采用第五种方法，这样省去了CP1613以太网卡，大大节约了成本。(4) 系统实现功能系统实现功能如下：1）通过调度室工控机可控制井下变电所及各配电点高低压防爆开关的复位、分闸和合闸，从而实现对井下变电所及各配电点的远程停、送电的控制。2）将井下变电所和配电点联网设备的运行状态及其他各种检测数据（ 电压、电流、温度、水泵出水压力、真空度和阀门开度等） 实时显示在DID大屏上。3）上位机的显示界面能显示井下变电所系统主界面、各分界面、实时曲线画面、历史趋势画面、故障报警画面和故障查询等信息。4）只允许特定人员依照登录名和密码对调度室工控机进行控制操作，不允许其他人员随意控制。对各个登录名记录登录的确切时间，有利于了解值班人员的出勤情况。5）系统能够根据水位变化自动起停相应的水泵，并能够使水泵自动轮换工作，也可以通过半自动方式按照水泵的开停步骤起停各台水泵。6）故障时能够显示故障的确切位置和故障类型，并有声光报警，方便维护人员进行检修。7）实时记录各种数据，具备实时打印功能。数据可以保存六个月，方便管理人员对历史数据进行统计和分析。8）通过矿内局域网连接其他计算机，方便各级领导随时浏览设备的运行