王祖迅，程玉龍

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯的根本性措施[1]，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定在高瓦斯及瓦斯突出礦井必須建立地面永久性抽采瓦斯系統(tǒng)或井下臨時抽采瓦斯系統(tǒng)，利用抽采泵、循環(huán)水泵、冷卻塔、電動閥、水封阻火器等設(shè)備，通過抽采管網(wǎng)連接到井下抽采鉆孔，利用抽采泵的工作特性，將井下煤層中賦存的瓦斯氣體輸送至地面進行瓦斯發(fā)電利用或排空，減少煤礦井下災(zāi)害事故的發(fā)生，并為瓦斯抽采系統(tǒng)配備相應(yīng)的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)。部分煤礦根據(jù)國家安全監(jiān)管總局開展的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動，正在逐步推進瓦斯抽采泵站無人值守系統(tǒng)的建設(shè)，用變頻器、PLC、電動閥、傳感器等設(shè)備替代傳統(tǒng)的人工檢測和操作，減輕工人勞動強度，提高煤礦的自動化、智能化水平。目前的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)中，對抽采設(shè)備的監(jiān)控大部分采用單PLC 控制器作為核心控制單元，存在缺陷在單PLC 控制器出現(xiàn)故障時，將導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無法對瓦斯抽采系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制，嚴重時造成抽采泵停機，影響瓦斯抽采系統(tǒng)的正常運行，使煤礦瓦斯抽采效率下降，井下生產(chǎn)存在安全隱患等；為了解決該問題，設(shè)計了一種基于S7-1500R 冗余技術(shù)的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)，通過對S7-1500R PLC 的硬件冗余設(shè)計和軟件開發(fā)，實現(xiàn)了對瓦斯抽采系統(tǒng)進行全方位監(jiān)測監(jiān)控。

1 瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由計算機、交換機、PLC 控制柜、監(jiān)控分站、智能儀表、溫度、壓力、濃度、流量、液位等各類傳感器組成[2-3]。計算機主要用于數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件的安裝和運行；交換機主要負責(zé)構(gòu)建下位機和上位機實時信息的交互通道；各類傳感器主要負責(zé)檢測抽采系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度、流量、液位等參數(shù)；監(jiān)控分站主要對傳感器提供本安電源和采集傳感器數(shù)據(jù)；PLC 控制柜實現(xiàn)抽采系統(tǒng)的遠程集中控制的核心單元，主要負責(zé)與監(jiān)控分站和智能儀表進行數(shù)據(jù)交互，采集監(jiān)控分站和智能儀表的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動控制和調(diào)節(jié)抽采泵、水泵、冷卻塔、變頻器等設(shè)備。

2 冗余系統(tǒng)

冗余系統(tǒng)是指在PLC 不允許停機的系統(tǒng)設(shè)計中，通過增加CPU、電源等模塊，形成數(shù)字化孿生“雙胞胎”，當(dāng)主CPU 遇到故障停止工作，備用CPU自動投入工作，從而提高PLC 系統(tǒng)的可靠性。目前瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)中PLC 設(shè)計主要采用西門子S7-1200、S7-300、S7-1500 系列的單PLC 控制器作為核心控制單元，該系列的PLC 控制器基本可以滿足抽采系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集及控制，但該系列PLC 不具備冗余功能，處于單機工作模式，當(dāng)PLC 出現(xiàn)故障導(dǎo)致CPU 停機，監(jiān)控系統(tǒng)將處于失控狀態(tài)，因此需要對PLC 系統(tǒng)進行冗余設(shè)計選型，提高PLC 控制柜的可靠性。

2.1 CPU 冗余

在冗余系統(tǒng)設(shè)計中，有硬件冗余控制功能的PLC控制器主要有西門子的S7-400H、S7-1500R 系列PLC 和羅克韋爾自動化的Controllogix 系列PLC[4-8]。由于S7-1500R 系列PLC 控制器推出比較晚，早期主要是采用S7-400H 和Controllogix 做冗余控制，3種冗余控制器典型冗余系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 冗余系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Redundant system architecture diagram

1）S7-1500R 冗余控制系統(tǒng)由電源模塊和CPU控制器模塊組成。CPU 控制器模塊自帶以太網(wǎng)接口，2 個CPU 控制器間通過以太網(wǎng)進行同步，通過Profinet 網(wǎng)絡(luò)與遠程I/O 站點通訊，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機通訊，形成Profinet 冗余網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，成本便宜。

2）S7-400H 冗余控制系統(tǒng)由電源模塊和CPU控制器模塊組成。CPU 控制器模塊上帶以太網(wǎng)接口、DP 總線接口和光纖同步接口，2 個CPU 控制器間采用光纖進行同步，同步時間快，CPU 通過PROFIBUS-DP 總線與遠程I/O 站點通訊，形成DP冗余網(wǎng)絡(luò)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機通訊，但需要專用的CP1623 以太網(wǎng)通訊卡，在上位機上做容錯連接，需要額外的軟件授權(quán)，響應(yīng)速度快，價格昂貴。

3）Controllogix 冗余控制系統(tǒng)由電源模塊、CPU控制器、上位機通訊模塊、光纖同步模塊、下位機通訊模塊組成。2 個CPU 控制器間通過同步模塊采用光纖進行同步，上位機和下位機通訊均采用工業(yè)以太網(wǎng)，響應(yīng)速度快，價格昂貴。

根據(jù)瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的特點，從系統(tǒng)組網(wǎng)、切換響應(yīng)速度、系統(tǒng)成本等方面綜合考慮，本次設(shè)計選擇S7-1500R 系列的S7-1515R 控制器作為瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)的冗余控制器。

2.2 電源冗余

在PLC 控制系統(tǒng)中直流24 V 電源主要負責(zé)給PLC 模塊和傳感器供電，是PLC 控制系統(tǒng)工作的前提條件，因此有必要對電源進行冗余設(shè)計。直流24 V 冗余電源如圖2。

圖2 直流24 V 冗余電源Fig.2 DC 24 V redundant power supply

冗余電源由2 路PSU100S 開關(guān)電源和1 個PSE202U 冗余模塊組成，。其工作原理如下：正常工作時，第1 路電源和第2 路電源均同時帶電，冗余電源模塊連續(xù)監(jiān)測2 路電源進線并進行饋電，當(dāng)某1路電源斷電時，冗余電源模塊將自動進行切換，由另1 路電源完全接管直流24 V 電源繼續(xù)向模塊和傳感器供電，不管是第1 路電源或者第2 路電源發(fā)生故障時，均不會影響24 V 電源的輸出。要求第1 路電源和第2 路電源分別來自不同的供電回路或UPS電源，保證供電回路始終有一路處于正常狀態(tài)。

2.3 通訊接口冗余

在瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測參數(shù)多，大量使用振動分析儀、智能電量儀、溫度巡檢儀、流量計等智能儀表來監(jiān)測抽采泵的振動、溫度、電流、電壓、供水流量等參數(shù)，每一個智能儀表均攜帶設(shè)備大量數(shù)據(jù)信息，通過RS485 總線與PLC 進行數(shù)據(jù)交互[9]，如果在運行中出現(xiàn)通訊中斷，將影響PLC 程序的判斷和執(zhí)行，因此在系統(tǒng)中采用雙路RS485 通訊口進行冗余設(shè)計，RS485 冗余通訊如圖3。

圖3 RS485 冗余通訊Fig.3 RS485 redundant communication

現(xiàn)場智能儀表同時與2 個RS485 通訊模塊進行通訊，正常工作時第1 個通訊模塊工作在主站模式，以輪詢方式不斷與現(xiàn)場的振動分析儀、智能電量傳感器、溫度巡檢儀、流量計等智能儀表通訊，第2個通訊模塊工作在監(jiān)聽模式。當(dāng)?shù)? 個通訊模塊出現(xiàn)故障時，第2 個通訊模塊在輪詢的時間間隔內(nèi)監(jiān)聽不到總線上有數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部程序自動將第1 個訊模塊設(shè)置為監(jiān)聽模式，第2 個通訊模塊設(shè)置為主站模式，接替第1 個模塊自動發(fā)送輪詢命令和接收智能儀表回發(fā)的數(shù)據(jù)，從而保證智能儀表與PLC 始終能夠正常通訊，同時提示第1 個RS485 模塊有錯誤。

3 S7-1500R 系統(tǒng)冗余組態(tài)

通過博途軟件V16 及以上版本對S7-1500R 冗余系統(tǒng)進行硬件組態(tài)[10]，S7-1500R 博途組態(tài)界面如圖4。

圖4 S7-1500R 博途組態(tài)Fig.4 S7-1500R Portal configuration

在組態(tài)中需要成對的添加和刪除CPU，添加后博途軟件會自動為CPU 的每個PROFINET 接口分配1 個IP 地址，也可以手動分配IP 地址，但是2 個CPU 之間用于PROFINET 環(huán)網(wǎng)的接口IP 地址必須位于同一個子網(wǎng)中，否則無法進行通信。除了設(shè)置各CPU 的設(shè)備IP 地址外，還需要為冗余系統(tǒng)分配系統(tǒng)IP 地址，這樣其他設(shè)備就可以通過系統(tǒng)IP 地址與冗余系統(tǒng)的主CPU 進行數(shù)據(jù)交換，并且可以確保在冗余系統(tǒng)的主CPU 發(fā)生故障后，可以與備用CPU 進行數(shù)據(jù)通信。添加好CPU 后，在PROFINET 網(wǎng)絡(luò)中添加遠程I/O 接口模塊，在接口模塊機架中添加系統(tǒng)所需的I/O 模塊。

在S7-1500R 冗余系統(tǒng)中，每個CPU 都有1 個冗余ID（Identity），并且僅當(dāng)2 個CPU 的冗余ID 不同時，才能實現(xiàn)冗余操作，一般設(shè)置冗余ID 的值為1 和2。首次調(diào)試時2 個CPU 的冗余ID 在默認狀態(tài)下均為1，可以通過CPU 上的顯示屏分配冗余ID，首先將冗余系統(tǒng)中2 個CPU 相互連接且獨處于Stop 操作狀態(tài)，然后啟動要為其分配冗余ID 的CPU，最后在該CPU 的顯示屏上，在選擇菜單命令“概述> 冗余”（Overview>Redundancy），為該CPU 分配冗余ID 為2，分配冗余ID 后重新啟動CPU。在項目樹中分配冗余ID 為1 的CPU 處于主機，冗余ID為2 的CPU 處于備機。

4 PLC 程序和上位機軟件及系統(tǒng)功能

4.1 PLC 程序

PLC 程序采用西門子博途軟件進行開發(fā)，在主程序OB1 中對子程序自上而下循環(huán)調(diào)用，程序流程如圖5。

圖5 PLC 程序流程圖Fig.5 PLC program flow chart

PLC 主程序由參數(shù)初始化子程序、通訊子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、控制子程序、報警子程序、聯(lián)動子程序等子程序組成。參數(shù)初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)控制參數(shù)、報警參數(shù)、斷電參數(shù)進行初始化；通訊子程序?qū)S485 通訊口進行配置，輪詢發(fā)送智能儀表的巡檢命令，接收和處理來自智能儀表的數(shù)據(jù)；采集子程序?qū)ΜF(xiàn)場開關(guān)量、模擬量進行采集和處理；控制子程序?qū)Τ椴杀?、電動閥、循環(huán)水泵、冷卻塔等設(shè)備進行一鍵啟動、一鍵停止、自動輪換等操作；報警子程序?qū)νㄓ嵑筒杉^來的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，當(dāng)超過設(shè)定值時發(fā)出聲光報警；聯(lián)動子程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)數(shù)值處理結(jié)果自動對抽采泵、循環(huán)水泵、電動閥、冷卻塔等設(shè)備進行自動控制操作和保護。

4.2 上位機軟件

上位機設(shè)置主機和備機，當(dāng)主機出現(xiàn)故障時自動切換到備機工作，實現(xiàn)雙機熱備。上位機軟件以WinCC 作為研發(fā)平臺進行二次開發(fā)[11-12]。WinCC 提供了大量的控件，并且支持VBS 腳本語言和標(biāo)準(zhǔn)的C 語言，二次開發(fā)簡單。軟件主要對圖形界面、數(shù)據(jù)查詢、實時報警、歷史報警、實時曲線、歷史曲線、報表查詢、操作記錄和用戶管理等功能模塊進行設(shè)計。通過對各個子功能模塊的開發(fā)，形成了一套從數(shù)據(jù)生成到數(shù)據(jù)組織、存儲、查詢、分析等功能完整的體系框架，實現(xiàn)抽采系統(tǒng)動態(tài)展示、數(shù)據(jù)監(jiān)測與存儲、故障報警和報表打印、設(shè)備控制和調(diào)節(jié)等功能，最終達到監(jiān)測監(jiān)控瓦斯抽采系統(tǒng)的目的。

4.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有在線監(jiān)測瓦斯抽采管道中瓦斯體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、壓力、溫度、工況混合流量、壓差等管道參數(shù)監(jiān)測功能；具有在線監(jiān)測抽采泵的軸承溫度、工作壓力（正壓、負壓或真空度）、供水狀態(tài)（缺水或水流量）、振動、運行狀態(tài)等工況參數(shù)監(jiān)測功能；具有在線監(jiān)測電機的軸承溫度、三相繞組溫度、振動、電壓、電流、功率等電機參數(shù)監(jiān)測功能；具有在線監(jiān)測冷、熱循環(huán)水池的水位、水溫、循環(huán)水泵運行狀態(tài)等循環(huán)水參數(shù)監(jiān)測功能；在線監(jiān)測抽放泵房、管道間、值班室等重要場所瓦斯體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)、溫度等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能；能夠自動控制抽采泵、循環(huán)水泵、冷卻塔、電動閥、排風(fēng)扇、照明等設(shè)備進行一鍵啟停、一鍵輪換、故障聯(lián)動等。

5 結(jié) 語

設(shè)計了一種基于S7-1500R 冗余PLC 的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠采集抽采系統(tǒng)的管道參數(shù)、工況參數(shù)、供水參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)抽采泵站的一鍵啟停、自動倒機等自動控制和無人值守工作模式。通過對系統(tǒng)的CPU、電源、RS485 通訊口等關(guān)鍵部件進行冗余設(shè)計，有效提高了抽采監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。