基于组态软件的煤矿井下变电所监控系统设计

    随着生产过程自动化的发展，自动化系统中大量的数据传输，使得各种网络的出现，还有各种组合网络的出现都成了必然趋势。矿山生产通常环境恶劣，并且生产任务重，因此做好矿山设备的维护是一件非产重要的工作。对矿山设备的监视成为了一种必要手段，也符合矿山生产预防性维护策略主要思路。然而大多数只重视井上井下设备的安全可靠运行，常常忽略对井上井下设备的实时监视，这样的维护对于生产来说就无形的产生了一点时间上的滞后，并且管理者没有及时看到井下设备的运行状况，使得矿山生产计划偶尔会被打破，管理者对生产计划变动显得十分被动。

    井下变电所是矿山井下生产的供电核心，所有井下设备的取电都来自井下变电所，对与井下设备是否正常运行，在井下变电所就可以一览无余。早期矿山井下变电所用的设备是低压配电柜和高压开关柜，设备的形式与地面用的设备基本相同，从本质安全方面考虑都属于不安全因素，监控方式采用的是变(配)电工24h看护，投人了很多人工和维护调试费用。现在设备进行了升级，变成了低压馈电开关和高压隔爆真空配电装置，监控方式沿用了以前人工看护的方式，升级后的设备几乎都提供了网络接口，但是没有组网，属于单机运行的状态。

    本设计采用组态软件，配合网络的知识建立了一个良好的实时监控系统，井下各种开关都有综合保护器，这种保护器都提供了RS一485接口。实时监控系统对井下变电所的各种开关进行全面的微机监控，使得矿山生产调度室对井下生产更加掌握，拉近了井上井下的距离，从而达到预防性维护，为作业调度提供信息支持和决策支持。

2 网络设计

    如上所述，该设计存在着简单的网络组合，其中有RS一485网络，EtherNet(工业以太网)，这两种常见的网络成为井下变电所向井上传输数据的基本媒介，设计网络如图1所示。

 
图1 网络图

    RS一485是一种国际传输标准，传输距离1200m，两条线产生高低电平“0”或者“l”，将想要的信息变化成数字量。由于采用高低电平的电位差向前传输，所以有传输稳定，传输距离长的特点。在自动化中广泛应用，一般都进行了二次封装，所谓二次封装是指各个厂商加入了自己的通讯规约。内容基本上是：RS一485的地址、传输方式、数据内容、校验码等，比如著名的莫迪康的ModBus，Siemens的ProfiBus都是基于RS一485的物理形式存在的。
 
    EtherNet可以说是现今最为流行的网络协议了。它的协议是TCPhP，IP地址在网络中具有唯一I生，数据包传输，可以传输海量数据，所以被广泛应用于各个行业。

    考虑到井下到井上的传输距离，电信号的衰减，为了提高数据的可靠性且不失真，将电信号转化为光信号，中间用了一段光纤传输。因此保证了数据的传输速度与数据的正确率。

3 硬件设计

    本设计的硬件针对井下数据传输，符合图1的网络结构，在变电所安装1台接口足够的隔爆型信号箱，隔爆型信号箱内装有以下电子设备，数量用途说明，见表1。

    表1 柜内元件表
 

    井下数据传输到地面以后，利用矿山现有的局域网，将数据传到调度室，在调度室里用大屏幕呈现出井下变电所的运行情况。

    其中，MOXA—De31 1的功能是将RS一485网络的数据转换为EtherNet里的数据，比较特别的是MOX—A—De3 1 1不同于其它类转换模块，此转换模块就像是网络中的一个共用串口，MOXA—De3Il有自己的IP地址，只要是在一个网段里的Pc机都可以查找到MOXA—De311，相应的也就找到了连接在MOX—A—De3 l 1上面的RS一485设备。

    在井上设置1台计算机，用来接受处理数据、实时监视井下设备状态。

4 软件设计

    组态软件的作用在于处理接收到的数据，将数据转化为直观的动态图像，从而达到实时监视的效果。组态软件已发展多年，不管是国内还是国外的都有单片机通用串口通讯规约的驱动和DDE。不能用单片机通用串口来处理数据的设备，用VisuM Basic(VB)采集，然后通过DDE将数据导人组态软件，如图2数据流视图所示。在这里选用亚控的组态王作为说明。

 
图2 数据流视图

    4.1 组态软件驱动的添加

    (1)添加串口驱动，点击COM1／新建／智能模块／单片机／通用单片机ASCII／串口；给各种开关指定逻辑名称；选择串口号；指定设备地址，地址范围是O一255；直至完成向导，添加若干个开关的串口驱动。

    (2)将接收到的数据转化成组态软件的内存变量。点击数据词典／新建变量／添加变量名称／变量类型／连接设备／选择相应设备的寄存器。

    (3)将变量运用到组态画面中，显示动画效果，点击相应的图片连接变量实现填充和控制效果。
 

    4.2 井下变电所各开关的RS一485地址设置

    井下变电所的设备基本上就是高压隔爆型真空配电装置、低压隔爆型馈电开关，隔爆型综合保护装置等，它们的保护器都提供了设置RS～485地址的程序，地址范围0 255，在相应的面板上会有所显示。

    4.3 MOXA—De31 1模块lP地址设置

    将MOXA—De311接入到矿山局域网中，根据MOXA—De311手册看到默认的IP地址，在PC机上安装MOXA—De3l1的驱动程序，对MOXA—De31l设置新的符合要求的IP地址。

    4.4 组态软件所在PC机的IP设置

    要求是此PC机要与MOXA—De31 1的IP地址在同一个网段，这样就能达到数据交换的目的。

    4.5 OPC与DDE介绍

    OPC (OLE for Proecss Contro1)是一种通用的工业标准，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一方法。OPC减少了系统集成过程中的重复工作，缩短了系统的开发周期。

    DDE(Dynamic Data Exchange)是一种动态数据交换机制。该协议允许在Windows环境中的应用程序之间彼此发送、接收数据和指令。它在两个同时运行的应用程序之间实现客户服务器关系。组态软件可以利用Microsoft的DDE与其它Windows程序通信，并可同时作为客户或服务器程序。

    设计中OPC与DDE的提供可以使矿山的数据很好的运用，为未来矿山物联网的建设做铺垫打基础。

5 协议设计

    由于井下变电所设备种类繁多，协议要求也有所不同，所以采取这种自订协议驱动。RS一485协议格式都是一样的，不同的是传输设置、地址、校验、数据内容。

    5.1 通讯口设置说明

    通讯方式选择RS一485，波特率和字节数据格式由设备的控制芯片决定。在上位机监控软件中设置的通讯参数如波特率、数据位、停止位、奇偶校验必须与设备的控制芯片编程中的通讯参数一致。一般格式内容见表2。

    表2 通讯格式
 

    5.2 在上位机监控软件中定义设备地址

    地址格式一般都是软件自身编程时设定，内容包括有设备地址，传送数据方式，不饱含命令数据内容，编程时将地址和数据一起打包发送，设备再进行鉴别和筛选。比如：格式：挣#． #，前两个“样”代表设备地址，后一个“撑”代表通讯时的某种要求。

    5.3 上位机监控软件中寄存器说明

    软件中定义不同的字母或者符号来代表相应的寄存器，寄存器加数据地址代表一个读或者写的命令，此地址与设备控制芯片中的数据地址相对应。

    —般寄存器有几种类型：BYTE、UINT、FLOAT、BIT。不同类型的数据有不同的长度，如何控制其开始和停止，还有数据的准确性呢?这就用到了5．1通讯口设置中的内容了。

    5．4 上位机发送读命令
 

    5．5 上位机发送写命令
 

6 结束语

    设备种类繁多向来都是过程控制中数据采集的一个难点，微机通讯已普遍用在自动化系统的各个角落，由于组态软件提供了方便的数据采集模式，从而避免软件自行开发的不确定性，缩短了网络设计和软件的开发周期。本设计中提到的技术已经成熟，可是在矿山运用经验不太丰富，所以本设计还需以后实践考验。