基于Profinet的電力管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張朝輝，張俊

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市北供電分公司，重慶，401147）

電力管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道中的風(fēng)速、氣壓、有害氣體等重要環(huán)境參數(shù)，是管廊安全運(yùn)行的重要組成部分。目前運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為采集單一參數(shù)并進(jìn)行預(yù)警，造成了通信協(xié)議互不兼容、監(jiān)測(cè)軟件重復(fù)設(shè)計(jì)以及通信電纜重復(fù)鋪設(shè)等弊端，不利于管廊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與主要功能

根據(jù)當(dāng)前管廊安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的弊端 ，結(jié)合電力管廊工況，構(gòu)建了基于S7-1212C與礦用變送器的管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于PLC技術(shù)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集中采集各種環(huán)境參數(shù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信與監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用雙機(jī)備份。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1中，根據(jù)管廊隧道分布，設(shè)置了5個(gè)采集箱，每個(gè)采集箱以S7-1212C、模擬量采集模塊SM1231以及相關(guān)測(cè)量變送器組成，采集風(fēng)速、氣壓、有害氣體、液位等多個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及通風(fēng)風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行信號(hào)。多個(gè)采集箱與監(jiān)測(cè)主機(jī)采用以太網(wǎng)（Profinet）方式通信，通過光纖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變送器

變送器用以測(cè)量管廊巷道中的通風(fēng)風(fēng)速、氣壓、有害氣體等參數(shù)，由風(fēng)速變送器、氣壓變送器與有害氣體變送器等組成。風(fēng)速變送器采用礦用三線制GFW15型風(fēng)速變送器，氣壓變送器采用礦用兩線輸出制GP5000型氣壓變送器，有害氣體變送器采用礦用三線制FY-C0型有害氣體變送器，如圖2所示。

圖2 礦用變送器模塊

變送器的技術(shù)指標(biāo)如表1、表2、表3所示。

表1 GFW15型風(fēng)速變送器主要技術(shù)指標(biāo)

表2 GP5000型氣壓變送器主要技術(shù)指標(biāo)

表3 FY型有害氣體變送器主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 變送器輸出接線

兩線制變送器與三線制變送器的供電與信號(hào)接線如圖3所示。圖3中，AIx+、AIx-（x=1、2、3、4）分別接采集模塊SM1231的信號(hào)輸入端，信號(hào)電纜長(zhǎng)度不少于500 m。

2.3 信號(hào)采集系統(tǒng)

基于PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊。與常規(guī)的采集系統(tǒng)相比，PLC系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。采用西門子公司的8可編程序控制器S71212C，集成的以太網(wǎng)口可以同上位終端進(jìn)行以太網(wǎng)通信，滿足系統(tǒng)要求。S71212C可以擴(kuò)展2塊SM1231，即1個(gè)S71212C加擴(kuò)展模塊最多可以提供8路模擬量輸入，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

采集系統(tǒng)接口電路如圖5、圖6所示。在圖5中，I0.0、I0.1、I0.2、I0.3分別接水泵或通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)KA1、KA2、KA3、KA4，利用S71212C內(nèi)置的24 V電源為開關(guān)量輸入口供電。SM1231是S71200系列PLC的4路13位模擬量輸入擴(kuò)展單元，圖6中，外置直流電源為模擬量采集模塊SM1231供電，變送器的信號(hào)分別接在信號(hào)端的AIi+、AIi-（i=0、1、2、3）。

圖5 開關(guān)量輸入接口電路

圖6 SM1231的輸入接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為正確實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，采用SIMATIC STEP 7 Basic系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，主要包括硬件設(shè)置、采集程序以及監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)。SIMATIC STEP 7 Basic 是西門子公司開發(fā)的高集成度工程組態(tài)系統(tǒng)，它提供了直觀易用的編輯器，用于對(duì)S7-1200 系列PLC進(jìn)行硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、編程及診斷。

3.1 采集系統(tǒng)的硬件組態(tài)

首先對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)。在硬件組態(tài)時(shí)，需要將CPU模塊或AD模塊放置到工作區(qū)的機(jī)架的插槽內(nèi)：S71212C位于1#插槽，兩塊SM1231分別位于2#與3#插槽，如圖7所示。

圖7 采集系統(tǒng)的硬件組態(tài)

添加了CPU與AD模塊后，他們的I/O地址是自動(dòng)分配的，組態(tài)后的I/O地址如圖8所示。圖8中，1#、2#SM1231的模擬量輸入地址是IW96、IW98、IW100、 IW102與IW104、IW106、IW108、IW110。

圖8 硬件組態(tài)后的設(shè)備概覽

3.2 SM1231的參數(shù)設(shè)置

為了使SM1231能夠轉(zhuǎn)換模擬量必須對(duì)其進(jìn)行設(shè)定， 設(shè)置如圖9所示。圖9中，積分時(shí)間越長(zhǎng)，精度越高，快速性越差，干擾抑制頻率越低；為了抑制工頻干擾，積分時(shí)間選擇20ms（50Hz）。根據(jù)變送器的信號(hào)類型，測(cè)量類型選擇電流輸入，0--20ma。濾波用平均值數(shù)字濾波來實(shí)現(xiàn)，濾波等級(jí)越高，模擬值越穩(wěn)定，但快速性越差，本系統(tǒng)選用4周期濾波。

圖9 SM1231的參數(shù)設(shè)置

3.3 Profinet端口設(shè)置

實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)是現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的趨勢(shì)，Profinet是基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，是開放式的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它使工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展到了控制網(wǎng)絡(luò)最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。利用S71212C集成的Profinet端口可以與監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)通信，Profinet端口設(shè)置如圖10所示，每臺(tái)S71212C與監(jiān)測(cè)主機(jī)的的IP地址不相同且在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。

圖10 Profinet端口設(shè)置

3.4 程序設(shè)計(jì)

在MATIC STEP 7 Basic里編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、判斷及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)主機(jī)的通信是否正常，通信不正常，則把采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并進(jìn)行通信異常報(bào)警、信號(hào)斷線報(bào)警以及根據(jù)預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行超限報(bào)警；通信正常，則把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)主機(jī)，由監(jiān)測(cè)主機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示。存儲(chǔ)以及報(bào)警等任務(wù)。主程序流程圖如圖11所示。

圖11 采集程序流程圖

3.5 被測(cè)參數(shù)與A/D轉(zhuǎn)換值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在程序設(shè)計(jì)中，根據(jù)模擬量輸入模塊的輸出值計(jì)算被測(cè)參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮變送器的輸入/輸出量程和模擬量輸入模塊的量程，進(jìn)行被測(cè)參數(shù)與A/D轉(zhuǎn)換值的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

被測(cè)參數(shù)與轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系如圖12所示。

圖12 被測(cè)參數(shù)與轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系

圖12 中，A/D轉(zhuǎn)換模塊的量程為0--20ma，轉(zhuǎn)換值為0--27648。變送器的輸出是4--20ma ，4ma的轉(zhuǎn)換值是5530。因此，被測(cè)參數(shù)與轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系如式（1）所示。 式（1）中，F(xiàn)是被測(cè)參數(shù)，minF 是被測(cè)參數(shù)最小值，F(xiàn)max是被測(cè)參數(shù)最大值，N是A/D轉(zhuǎn)換值。

3.6 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

采用組態(tài)軟件編制上位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)分析與打印輸出等功能。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)主界面、參數(shù)設(shè)定界面、歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)警數(shù)據(jù)查詢界面。監(jiān)測(cè)主界面如圖13所示。

圖13 監(jiān)測(cè)軟件主界面

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析與結(jié)論

基于PLC技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集中監(jiān)測(cè)管廊中測(cè)點(diǎn)分散的不同變量。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并能在線進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，適用于于工況復(fù)雜的管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)，有較高的性價(jià)比?；赑LC技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法亦是一種智能化的通用方法，同樣適用于其他監(jiān)測(cè)類系統(tǒng)。