史凯

（兖矿能源集团股份有限公司济宁二号煤矿，山东济宁 272000）

目前矿井电力监控系统多为开关综合保护装置厂家配套开发，系统支持保护种类有限，开放性及融合度较差，尤其是对于后期新安装不同型号低压开关时系统整合困难。本文设计了一种基于PLC及博途WinCC平台开发的电力监控系统，系统采用S7-1200PLC为主控制器，通过组态的CM1241通信模块采集不同种类智能开关的数据，通过安装电流、电压传感器采集不具备通信功能的开关数据，开关分合闸由PLC采用通信或硬线方式集中控制，开发了博途WinCC控制HMI系统，实现了不同种类、品牌开关的集中电力监控，项目应用于济宁二号煤矿中央变电所低压系统，取得了良好的效果。

1.系统硬件设计

1.1 断路器通信方案

本系统包含6台矿用低压柜，低压柜配置GM型通信断路器16台及GW3断路器2台。两种断路器控制器均支持Modbus3.0通信协议，传输方式为主从半双工方式，GM8短路器校验方式为偶校验或无校验，GW3断路器为无校验，每个字节帧传输格式包含11位，1个起始位8个数据位，采用无校验时2个停止位。通信波特率均支持9600BPS或192000BP。

根据以上特性，系统设计使用CM1241模块进行通信采集。CM1241为S7-1200配套通信卡件，带有标准的RS422/485接口，支持全双工多点主从站和半双工模式，每个模块支持32个信号传输，满足现场通信需求。

1.2 启动器数据采集方案

本系统包含2台低馈开关，支持开关分合远控接线，但由于保护器不支持通信功能，无法通过通信方案采集数据。根据现场实际情况，本方案采用了安装电流、电压传感器及远程控制硬接线的控制方式。设备均为低压设备，信号采集方式为：电压互感器选用JXT系列，原边测量范围为20mV～1200mV，传感器输出信号为0V～10V电压信号；电流互感器选用JXK系列，原边测量范围为0A～200A，输出信号为4mA～20mA电流源。信号输入模块选用SM1231模块，该模块为S7-1200配套模拟量输入模块，支持8个通道输入，输入方式可选择0V～10V电压信号及0/4mA～20mA电流信号，分辨率高达13位。并且每两个通道可以根据现场输入信号方式自由选择电压或者电流信号，完全满足现场使用要求。

1.3 设备控制方案

系统中通信断路器通信协议具备远程分、合、复位等控制字，可以直接编程实现控制，不具备通信功能的设备可以采用硬线通过辅助远控接点控制。系统选用的1214C（DC/DC/DC）为S7-1200系列的一款直流输入输出控制器，具备100kB的工作存储器，可直接使用低压柜中24V直流电源作为输入电源。控制器自带了14个数字量输入点和10个数字量输出点，可用于实现非通信设备的控制，无需额外添加输入输出模块。并且该CPU可以扩展多达3个用于串行通信的通信模块，CPU本体上还可以扩展一个通信卡，实现4个独立的通信端口，满足后期扩展需求。

本方案选用该控制器既可以满足通信需求，又可以实现远程控制，并且可以利用控制器自带的网络接口接入工业以太网，用于上位机远程通信。

2.系统软件设计

2.1 控制软件及主程序

系统控制程序使用博途Step7（V16）编写，该软件是专为适配于新一代控制器专用软件，可用于组态S7-300/400/1200/1500PLC组态，控制指令丰富，集成了程序编写及上位机开发功能，支持多种语言写入程序。根据系统要求，该系统配置1214C控制器一块、CM1241模块一块、SM1231AI输入一块即可满足要求。

根据系统要求，系统通过组织块调用若干功能，主要组织块中包含了系统启动程序，模式选择等功能。每个功能分为电流电压采集、运行状态采集、保护参数采集、故障信息采集、遥控、参数修改等多个功能。

2.2 通信程序

通过标准的Modbus通信程序块进行对每个断路器通信数据的轮询处理。主要组织块内编写了启动程序，其余功能里以MODBUS_Master指令为基础，编写了每台设备的轮询程序，以电流采集块为例：第一台设备设置地址为1，MB_ADDR设置为1；通信协议中电流起始地址为0，采集三相电流，数据长度为3，DATA_ADDR设为40001，DATA_LEN设为3；通信方式为读取，Mode设置为0。DONE管脚的输出信号用于启动下一台设备读取请求以及复位本台设备通信请求，如此往复，实现所有设备的轮询，通信程序如图1所示。

图1 通信数据采集程序图

2.3 模拟量采集程序

博途Step7中针对S7-1200PLC提供了新型的模拟量转换指令，电压及电流传感器采集的信号输入值模拟量采集模块后，由CPU由解析为数字信号，标准值范围为0～27648[1]，通过标准化指令NORM_X将输入信号进行标准化标定，生成的临时变量通过缩放指令SCALE_X换完为创按期的量程值，用于程序的运算。通过2个指令的结合运行，可以完成电流、电压信号的采集，程序如图2所示。

图2 模拟量采集程序图

2.4 远控程序

对于通信断路器，依然可以通过标准的Modbus通信程序块进行对每个断路器进行控制。与通信采集程序类似，控制程序也以MODBUS_Master指令为基础编写每台设备的轮询程序，以第二台断路器远程合闸为例，MB_ADDR设置为2表示为该断路器地址。通过查询通信协议，远程操作指令目的地址为801，数据长度为2，因此DATA_ADDR设为40802，DATA_LEN设为2。通信方式为写操作，Mode设置为1。操作数0x1010为远程合闸，0x1020为远程分闸 0x1030，通过进制转换后分别为4112及4128，在分合断路器时把2个数值分别写入操作地址中，即可实现远程分合闸。对于硬接线的设备，只需通过CPU板载的数字量输入端口，输出干接点使远控触点闭合或断开即可完成分合闸。

3.HMI系统设计

MHI系统采用博途软件集成的WinCC专业版进行开发，是SCADA系统的可视化组态软件，在博途软件中可组态PC站系统，是用于构建组态范围从单站到多站系统的SCADA系统[2]，系统生成的WinCC Runtime程序，可以独立运行，也可以集成运行，普通PC站及网卡即可实现数据的修改下载，所有使用的变量可以通过博途软件详细视图的变量列表进行拖拽，大大提高了效率。根据现场实际，系统开发以下功能：

（1）主接线视图：可以显示整个系统运行全貌，包括每台断路器的分合状态及三相电流显示，系统电压、系统功率、系统电能等主要参数显示。

（2）分馈视图：可以显示每台开关的负荷名称、详细运行状态，包括定值设置等参数，同时可以通过系统参数画面切换遥信、遥测、遥调、遥控等功能实现远程分合闸、远程修改定值等遥控操作。

（3）分合记录：用于显示每台开关的分合记录，便于对操作记录统计。

（4）故障记录：用于读取通信开关保护装置的内部故障记录，便于对设备安全运行状况进行统计分析。

（5）趋势曲线：可以对系统电压、电流、功率等关键数据进行归档记录，并以曲线形势体现。采样周期为1S-1H可选，储存周期最长可达1年。

（6）用户管理：系统设置了3个用户层级管理。操作员权限可以查看设备运行状态，远程分合操作，归档数据导出。工程师可以对设备定值整定、对负荷变更后的名称进行修改。管理员可以修改编辑系统画面、调整动画连接密码级别、修改I/O接口[3]管理其他用户等。HMI主界面如图3所示。

图3 HMI界面图

4.结语

目前电力监控系统多为硬件厂商单独配置的监控系统，需单独购置并安装专用设备，占用空间大、价格较高且技术闭塞，不利于现场人员后期更新。本项目使用S7-1200PLC控制器，对柜内断路器通信协议解包转换，可直接并入矿环网，无需单独增设监控设备。可在集控室对设备信息集中监视，并实现远程分合闸、修改定值等功能。极大地提高了系统自动化程度，并方便现场职工巡检。PLC程序开放性好，配套上位机平台界面友好，便于后期随着负荷增减对系统实时更新。且控制程序及上位机画面完全自主开发，项目集成扩展性好，可以同样适用于其他矿井同类型断路器，并且可以融入其他电力监控系统中，应用效果良好。