基于S7-1200PLC的礦井變電所電力監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

史凱

（兗礦能源集團股份有限公司濟寧二號煤礦，山東濟寧 272000）

目前礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)多為開關(guān)綜合保護裝置廠家配套開發(fā)，系統(tǒng)支持保護種類有限，開放性及融合度較差，尤其是對于后期新安裝不同型號低壓開關(guān)時系統(tǒng)整合困難。本文設(shè)計了一種基于PLC及博途W(wǎng)inCC平臺開發(fā)的電力監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用S7-1200PLC為主控制器，通過組態(tài)的CM1241通信模塊采集不同種類智能開關(guān)的數(shù)據(jù)，通過安裝電流、電壓傳感器采集不具備通信功能的開關(guān)數(shù)據(jù)，開關(guān)分合閘由PLC采用通信或硬線方式集中控制，開發(fā)了博途W(wǎng)inCC控制HMI系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同種類、品牌開關(guān)的集中電力監(jiān)控，項目應(yīng)用于濟寧二號煤礦中央變電所低壓系統(tǒng)，取得了良好的效果。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 斷路器通信方案

本系統(tǒng)包含6臺礦用低壓柜，低壓柜配置GM型通信斷路器16臺及GW3斷路器2臺。兩種斷路器控制器均支持Modbus3.0通信協(xié)議，傳輸方式為主從半雙工方式，GM8短路器校驗方式為偶校驗或無校驗，GW3斷路器為無校驗，每個字節(jié)幀傳輸格式包含11位，1個起始位8個數(shù)據(jù)位，采用無校驗時2個停止位。通信波特率均支持9600BPS或192000BP。

根據(jù)以上特性，系統(tǒng)設(shè)計使用CM1241模塊進行通信采集。CM1241為S7-1200配套通信卡件，帶有標準的RS422/485接口，支持全雙工多點主從站和半雙工模式，每個模塊支持32個信號傳輸，滿足現(xiàn)場通信需求。

1.2 啟動器數(shù)據(jù)采集方案

本系統(tǒng)包含2臺低饋開關(guān)，支持開關(guān)分合遠控接線，但由于保護器不支持通信功能，無法通過通信方案采集數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本方案采用了安裝電流、電壓傳感器及遠程控制硬接線的控制方式。設(shè)備均為低壓設(shè)備，信號采集方式為：電壓互感器選用JXT系列，原邊測量范圍為20mV～1200mV，傳感器輸出信號為0V～10V電壓信號；電流互感器選用JXK系列，原邊測量范圍為0A～200A，輸出信號為4mA～20mA電流源。信號輸入模塊選用SM1231模塊，該模塊為S7-1200配套模擬量輸入模塊，支持8個通道輸入，輸入方式可選擇0V～10V電壓信號及0/4mA～20mA電流信號，分辨率高達13位。并且每兩個通道可以根據(jù)現(xiàn)場輸入信號方式自由選擇電壓或者電流信號，完全滿足現(xiàn)場使用要求。

1.3 設(shè)備控制方案

系統(tǒng)中通信斷路器通信協(xié)議具備遠程分、合、復位等控制字，可以直接編程實現(xiàn)控制，不具備通信功能的設(shè)備可以采用硬線通過輔助遠控接點控制。系統(tǒng)選用的1214C（DC/DC/DC）為S7-1200系列的一款直流輸入輸出控制器，具備100kB的工作存儲器，可直接使用低壓柜中24V直流電源作為輸入電源。控制器自帶了14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點，可用于實現(xiàn)非通信設(shè)備的控制，無需額外添加輸入輸出模塊。并且該CPU可以擴展多達3個用于串行通信的通信模塊，CPU本體上還可以擴展一個通信卡，實現(xiàn)4個獨立的通信端口，滿足后期擴展需求。

本方案選用該控制器既可以滿足通信需求，又可以實現(xiàn)遠程控制，并且可以利用控制器自帶的網(wǎng)絡(luò)接口接入工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機遠程通信。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制軟件及主程序

系統(tǒng)控制程序使用博途Step7（V16）編寫，該軟件是專為適配于新一代控制器專用軟件，可用于組態(tài)S7-300/400/1200/1500PLC組態(tài)，控制指令豐富，集成了程序編寫及上位機開發(fā)功能，支持多種語言寫入程序。根據(jù)系統(tǒng)要求，該系統(tǒng)配置1214C控制器一塊、CM1241模塊一塊、SM1231AI輸入一塊即可滿足要求。

根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)通過組織塊調(diào)用若干功能，主要組織塊中包含了系統(tǒng)啟動程序，模式選擇等功能。每個功能分為電流電壓采集、運行狀態(tài)采集、保護參數(shù)采集、故障信息采集、遙控、參數(shù)修改等多個功能。

2.2 通信程序

通過標準的Modbus通信程序塊進行對每個斷路器通信數(shù)據(jù)的輪詢處理。主要組織塊內(nèi)編寫了啟動程序，其余功能里以MODBUS_Master指令為基礎(chǔ)，編寫了每臺設(shè)備的輪詢程序，以電流采集塊為例：第一臺設(shè)備設(shè)置地址為1，MB_ADDR設(shè)置為1；通信協(xié)議中電流起始地址為0，采集三相電流，數(shù)據(jù)長度為3，DATA_ADDR設(shè)為40001，DATA_LEN設(shè)為3；通信方式為讀取，Mode設(shè)置為0。DONE管腳的輸出信號用于啟動下一臺設(shè)備讀取請求以及復位本臺設(shè)備通信請求，如此往復，實現(xiàn)所有設(shè)備的輪詢，通信程序如圖1所示。

圖1 通信數(shù)據(jù)采集程序圖

2.3 模擬量采集程序

博途Step7中針對S7-1200PLC提供了新型的模擬量轉(zhuǎn)換指令，電壓及電流傳感器采集的信號輸入值模擬量采集模塊后，由CPU由解析為數(shù)字信號，標準值范圍為0～27648[1]，通過標準化指令NORM_X將輸入信號進行標準化標定，生成的臨時變量通過縮放指令SCALE_X換完為創(chuàng)按期的量程值，用于程序的運算。通過2個指令的結(jié)合運行，可以完成電流、電壓信號的采集，程序如圖2所示。

圖2 模擬量采集程序圖

2.4 遠控程序

對于通信斷路器，依然可以通過標準的Modbus通信程序塊進行對每個斷路器進行控制。與通信采集程序類似，控制程序也以MODBUS_Master指令為基礎(chǔ)編寫每臺設(shè)備的輪詢程序，以第二臺斷路器遠程合閘為例，MB_ADDR設(shè)置為2表示為該斷路器地址。通過查詢通信協(xié)議，遠程操作指令目的地址為801，數(shù)據(jù)長度為2，因此DATA_ADDR設(shè)為40802，DATA_LEN設(shè)為2。通信方式為寫操作，Mode設(shè)置為1。操作數(shù)0x1010為遠程合閘，0x1020為遠程分閘 0x1030，通過進制轉(zhuǎn)換后分別為4112及4128，在分合斷路器時把2個數(shù)值分別寫入操作地址中，即可實現(xiàn)遠程分合閘。對于硬接線的設(shè)備，只需通過CPU板載的數(shù)字量輸入端口，輸出干接點使遠控觸點閉合或斷開即可完成分合閘。

3.HMI系統(tǒng)設(shè)計

MHI系統(tǒng)采用博途軟件集成的WinCC專業(yè)版進行開發(fā)，是SCADA系統(tǒng)的可視化組態(tài)軟件，在博途軟件中可組態(tài)PC站系統(tǒng)，是用于構(gòu)建組態(tài)范圍從單站到多站系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)生成的WinCC Runtime程序，可以獨立運行，也可以集成運行，普通PC站及網(wǎng)卡即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改下載，所有使用的變量可以通過博途軟件詳細視圖的變量列表進行拖拽，大大提高了效率。根據(jù)現(xiàn)場實際，系統(tǒng)開發(fā)以下功能：

（1）主接線視圖：可以顯示整個系統(tǒng)運行全貌，包括每臺斷路器的分合狀態(tài)及三相電流顯示，系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)功率、系統(tǒng)電能等主要參數(shù)顯示。

（2）分饋視圖：可以顯示每臺開關(guān)的負荷名稱、詳細運行狀態(tài)，包括定值設(shè)置等參數(shù)，同時可以通過系統(tǒng)參數(shù)畫面切換遙信、遙測、遙調(diào)、遙控等功能實現(xiàn)遠程分合閘、遠程修改定值等遙控操作。

（3）分合記錄：用于顯示每臺開關(guān)的分合記錄，便于對操作記錄統(tǒng)計。

（4）故障記錄：用于讀取通信開關(guān)保護裝置的內(nèi)部故障記錄，便于對設(shè)備安全運行狀況進行統(tǒng)計分析。

（5）趨勢曲線：可以對系統(tǒng)電壓、電流、功率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行歸檔記錄，并以曲線形勢體現(xiàn)。采樣周期為1S-1H可選，儲存周期最長可達1年。

（6）用戶管理：系統(tǒng)設(shè)置了3個用戶層級管理。操作員權(quán)限可以查看設(shè)備運行狀態(tài)，遠程分合操作，歸檔數(shù)據(jù)導出。工程師可以對設(shè)備定值整定、對負荷變更后的名稱進行修改。管理員可以修改編輯系統(tǒng)畫面、調(diào)整動畫連接密碼級別、修改I/O接口[3]管理其他用戶等。HMI主界面如圖3所示。

圖3 HMI界面圖

4.結(jié)語

目前電力監(jiān)控系統(tǒng)多為硬件廠商單獨配置的監(jiān)控系統(tǒng)，需單獨購置并安裝專用設(shè)備，占用空間大、價格較高且技術(shù)閉塞，不利于現(xiàn)場人員后期更新。本項目使用S7-1200PLC控制器，對柜內(nèi)斷路器通信協(xié)議解包轉(zhuǎn)換，可直接并入礦環(huán)網(wǎng)，無需單獨增設(shè)監(jiān)控設(shè)備。可在集控室對設(shè)備信息集中監(jiān)視，并實現(xiàn)遠程分合閘、修改定值等功能。極大地提高了系統(tǒng)自動化程度，并方便現(xiàn)場職工巡檢。PLC程序開放性好，配套上位機平臺界面友好，便于后期隨著負荷增減對系統(tǒng)實時更新。且控制程序及上位機畫面完全自主開發(fā)，項目集成擴展性好，可以同樣適用于其他礦井同類型斷路器，并且可以融入其他電力監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好。