基于WinAC的高壓防爆開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)中開關(guān)保護(hù)裝置可操作性、可靠性差，測量、通信等方面的問題，設(shè)計(jì)出一種基于WinAC的高壓防爆開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以WinAC RTX為控制核心，運(yùn)用Profibus現(xiàn)場總線進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件開發(fā)以西門子公司的組態(tài)軟件Win-CCV6．0和Step7V5．2為平臺，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面和防爆開關(guān)測控功能。結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)的實(shí)時操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和保護(hù)動作的靈敏度，具有強(qiáng)大而友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了集測量、控制、保護(hù)、通信等功能。
關(guān)鍵詞：高壓防爆開關(guān)；保護(hù)測控；WinAC；組態(tài)軟件

    伴隨微電子、微機(jī)、PLC、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，煤礦現(xiàn)代化和自動化已成為我國煤礦企業(yè)發(fā)展的趨勢，煤礦供電系統(tǒng)作為煤礦自動化系統(tǒng)中極其重要的一部分，自動化、智能化的程度也必然越來越高。
    因此以往煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的高壓防爆開關(guān)的綜合保護(hù)裝置的缺陷也日益暴露出來，例如可操作性較差、可靠性不高、升級改進(jìn)困難等等，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足井下高壓供電系統(tǒng)自動化發(fā)展的需要。本文就是基于上述各種情況，運(yùn)用西門子軟PLCWinAC、WinCC6．0和必須的硬件，實(shí)現(xiàn)了集測量、控制、保護(hù)、通信功能于一體的高壓防爆開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)裝置。

1 智能型保護(hù)裝置的主要功能分析
    經(jīng)過對煤礦高壓供電系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)研，智能高壓隔爆開關(guān)保護(hù)裝置最好集“檢測、控制、保護(hù)、通信”4功能于一體。
    具體主要功能與特點(diǎn)描述：
    1)檢測功能。能夠精確實(shí)時檢測電網(wǎng)運(yùn)行中的參數(shù)，如Ua、Ub、Uc等。
    2)控制功能。具有就地與遠(yuǎn)程控制功能。
    3)保護(hù)功能。能與10／6kV電壓等級的高壓防爆開關(guān)配套使用，可完成、過載、短路、欠壓等多種保護(hù)功能，且漏電保護(hù)具有選擇性。
    4)通信功能。裝置具有Profibus-DP通信接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、操作功能，這樣便于實(shí)現(xiàn)礦井管理的現(xiàn)代化。
    5)事件及故障記憶功能。每次調(diào)整的各項(xiàng)保護(hù)功能參數(shù)與故障信息均記憶保存，下次上電或系統(tǒng)復(fù)位時自動提取上一次設(shè)定的參數(shù)。
    6)自檢功能。軟硬件自檢功能，如有問題，系統(tǒng)給出相應(yīng)的出錯信息。
    7)Window XP Embedded嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式PC平臺，提供強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，保證系統(tǒng)的實(shí)時性，可靠性。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用西門子基于PC控制的自動化解決方案，在該解決方案中工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是整個控制系統(tǒng)的核心，即以裝有西門子公司的Win-AC RTX的工業(yè)PC機(jī)為核心，另外配置了數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊等。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，工控機(jī)上安裝了SIMATICW-inAC、WinCC6．0組態(tài)軟件，Net Working for System軟件與STEP7／編程軟件。

    1)SIMATIC WinAC RTX處理單元該處理單元性能極高，有較好的實(shí)時性。其高性能體現(xiàn)在高速控制應(yīng)用運(yùn)算時僅占用微處理器的較少資源。除了處理控制任務(wù)，CPU還有足夠的資源運(yùn)行其他大量需要并行處理的復(fù)雜的PC任務(wù)。SIMATIC WinAC RTX(軟件PLC)，在PC上能實(shí)現(xiàn)硬件PLC的功能，替代了傳統(tǒng)的硬件PLC，實(shí)現(xiàn)了基于PC的開放的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。運(yùn)用它實(shí)現(xiàn)了將PLC控制、數(shù)據(jù)處理、通訊、可視化集成于一臺PC機(jī)上。軟件方面支持各種開放性協(xié)議，例如：OPC、DDE、COM／DCOM、OLE等。硬件方面不僅能夠支持各種運(yùn)動控制產(chǎn)品，而且能夠支持各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)。
    2)ET200及榆入、輸出模塊ET200是多通道模塊化的分布式I／O，模塊分為數(shù)字量與模擬量兩種，開關(guān)量輸入單元共有4路輸入信號，采集當(dāng)前的開關(guān)量狀態(tài)以及手動操作的輸入等。開關(guān)量輸出單元共有6路輸出信號。模擬量輸入單元共9路信號，分別為電網(wǎng)電壓Ua、Ub、Uc、Uo，電流Ia、Ic、Io、附加電阻監(jiān)視線電流、地線電流等。
    3)通訊單元 系統(tǒng)采用Profibus-DP通信，選用CP5611卡，實(shí)現(xiàn)ET200與上位機(jī)的通信。同時，系統(tǒng)還具有以太網(wǎng)通信功能。

3 軟件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和PLC軟件2個部分。
    1)上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)編程軟件采用西門子公司的組態(tài)軟件WinCC6．0，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，界面結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。通過界面可以實(shí)時顯示當(dāng)前電力電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)、自檢狀態(tài)、告警類型、故障狀態(tài)等信息，完成數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等。

    2)下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC軟件以西門子STEP7 V5．2為開發(fā)平臺，采用直觀通用的梯形圖語言編程，實(shí)現(xiàn)高壓防爆開關(guān)狀態(tài)參數(shù)的采集、處理、保護(hù)等功能，系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。由以下幾個組織塊及功能組成OB塊：程序循環(huán)塊OB1、中斷服務(wù)塊OB35、暖啟動塊OB1000另外還用到了自定義的功能FC、數(shù)據(jù)塊DB、系統(tǒng)功能SFC等。
    圖3中保護(hù)子程序是整個裝置的核心，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的具體保護(hù)類型，保護(hù)子程序包括絕緣監(jiān)視保護(hù)、電流保護(hù)、欠壓保護(hù)、選擇性漏電保護(hù)等。其中，絕緣監(jiān)視保護(hù)子程序的開發(fā)設(shè)計(jì)主要依據(jù)附加電阻的交流監(jiān)視線保護(hù)原理。通過實(shí)時檢測監(jiān)視線和地線之間的電流，然后通過歐姆定律，結(jié)合監(jiān)視電壓，計(jì)算出電阻。選擇性漏電保護(hù)子程序設(shè)計(jì)主要利用選相法。

    系統(tǒng)開始運(yùn)行時，經(jīng)過OB100初始化之后就開始任務(wù)調(diào)度，通過OB35定時進(jìn)行模擬量采集，接受外部輸入。本系統(tǒng)中，首先是以采樣中斷為原發(fā)事件，并按保護(hù)功能處理流程激活一系列后續(xù)任務(wù)FC8-FC11，完成保護(hù)功能的任務(wù)鏈。同時，系統(tǒng)通過FC7完成通訊功能以及人機(jī)交互任務(wù)等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，調(diào)用FC6進(jìn)行故障判決。當(dāng)滿足故障判據(jù)后觸發(fā)故障處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)報警等。

4 抗干擾設(shè)計(jì)
    由于該設(shè)備主要應(yīng)用于煤礦井下，工作環(huán)境惡劣，存在強(qiáng)大的干擾源，這些干擾常常使控制器系統(tǒng)工作中斷，造成嚴(yán)重事故，為此該設(shè)備從硬件、軟件兩方面進(jìn)行了考慮。
    硬件方面：1)輸入模塊采用光電隔離I／O模塊：輸入電路接入光電耦合后，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖被有效阻擋；2)輸出模塊選用繼電器隔離模塊：利用繼電器的線圈和觸點(diǎn)間沒有電氣上的聯(lián)系的特點(diǎn)，有效避免強(qiáng)電和弱電信號之間的直接接觸。
    軟件方面：在軟件上主要采用滑動平均數(shù)字濾波，程序隸屬于FC1模塊，流程圖如圖4所示。該濾波方法對周期性交流電帶來的干擾具有良好的抑制作用。

5 結(jié)論
    本文介紹了一種基于WinAC的高壓防爆開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。硬件采用基于高性能的工業(yè)PC機(jī)，使系統(tǒng)接口簡單、功能豐富、抗干擾性強(qiáng)；軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，開發(fā)了保護(hù)、故障處理等相關(guān)程序，保證了整個裝置的可靠性、實(shí)時性和易擴(kuò)展性。