基于WinAC的高压防爆开关保护测控系统设计

摘要：针对煤矿井下高压供电系统中开关保护装置可操作性、可靠性差，测量、通信等方面的问题，设计出一种基于WinAC的高压防爆开关保护测控系统。硬件系统设计以WinAC RTX为控制核心，运用Profibus现场总线进行控制结构设计，软件开发以西门子公司的组态软件Win-CCV6．0和Step7V5．2为平台，设计了友好的人机界面和防爆开关测控功能。结果表明，该测控系统的实时操作系统，提高了系统的实时性和保护动作的灵敏度，具有强大而友好的人机交互界面，实现了集测量、控制、保护、通信等功能。
关键词：高压防爆开关；保护测控；WinAC；组态软件

    伴随微电子、微机、PLC、网络技术以及控制技术的发展，煤矿现代化和自动化已成为我国煤矿企业发展的趋势，煤矿供电系统作为煤矿自动化系统中极其重要的一部分，自动化、智能化的程度也必然越来越高。
    因此以往煤矿井下高压供电系统的高压防爆开关的综合保护装置的缺陷也日益暴露出来，例如可操作性较差、可靠性不高、升级改进困难等等，这已经远远不能满足井下高压供电系统自动化发展的需要。本文就是基于上述各种情况，运用西门子软PLCWinAC、WinCC6．0和必须的硬件，实现了集测量、控制、保护、通信功能于一体的高压防爆开关保护测控系统装置。

1 智能型保护装置的主要功能分析
    经过对煤矿高压供电系统的实际调研，智能高压隔爆开关保护装置最好集“检测、控制、保护、通信”4功能于一体。
    具体主要功能与特点描述：
    1)检测功能。能够精确实时检测电网运行中的参数，如Ua、Ub、Uc等。
    2)控制功能。具有就地与远程控制功能。
    3)保护功能。能与10／6kV电压等级的高压防爆开关配套使用，可完成、过载、短路、欠压等多种保护功能，且漏电保护具有选择性。
    4)通信功能。装置具有Profibus-DP通信接口，可以实现远程数据采集、操作功能，这样便于实现矿井管理的现代化。
    5)事件及故障记忆功能。每次调整的各项保护功能参数与故障信息均记忆保存，下次上电或系统复位时自动提取上一次设定的参数。
    6)自检功能。软硬件自检功能，如有问题，系统给出相应的出错信息。
    7)Window XP Embedded嵌入式实时操作系统的嵌入式PC平台，提供强大的人机交互界面，保证系统的实时性，可靠性。

2 硬件系统设计
    该系统采用西门子基于PC控制的自动化解决方案，在该解决方案中工业控制计算机是整个控制系统的核心，即以装有西门子公司的Win-AC RTX的工业PC机为核心，另外配置了数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块等。系统硬件框图如图1所示，工控机上安装了SIMATICW-inAC、WinCC6．0组态软件，Net Working for System软件与STEP7／编程软件。

    1)SIMATIC WinAC RTX处理单元该处理单元性能极高，有较好的实时性。其高性能体现在高速控制应用运算时仅占用微处理器的较少资源。除了处理控制任务，CPU还有足够的资源运行其他大量需要并行处理的复杂的PC任务。SIMATIC WinAC RTX(软件PLC)，在PC上能实现硬件PLC的功能，替代了传统的硬件PLC，实现了基于PC的开放的控制系统设计。运用它实现了将PLC控制、数据处理、通讯、可视化集成于一台PC机上。软件方面支持各种开放性协议，例如：OPC、DDE、COM／DCOM、OLE等。硬件方面不仅能够支持各种运动控制产品，而且能够支持各种现场总线系统。
    2)ET200及榆入、输出模块ET200是多通道模块化的分布式I／O，模块分为数字量与模拟量两种，开关量输入单元共有4路输入信号，采集当前的开关量状态以及手动操作的输入等。开关量输出单元共有6路输出信号。模拟量输入单元共9路信号，分别为电网电压Ua、Ub、Uc、Uo，电流Ia、Ic、Io、附加电阻监视线电流、地线电流等。
    3)通讯单元 系统采用Profibus-DP通信，选用CP5611卡，实现ET200与上位机的通信。同时，系统还具有以太网通信功能。

3 软件设计
    控制系统软件包括上位机软件和PLC软件2个部分。
    1)上位机系统软件设计上位机编程软件采用西门子公司的组态软件WinCC6．0，主要实现人机交互界面的设计，界面结构框图如图2所示。通过界面可以实时显示当前电力电网的运行状态、实时数据、自检状态、告警类型、故障状态等信息，完成数据采集、过程监控、数据分析等。

    2)下位机系统设计PLC软件以西门子STEP7 V5．2为开发平台，采用直观通用的梯形图语言编程，实现高压防爆开关状态参数的采集、处理、保护等功能，系统程序结构如图3所示。由以下几个组织块及功能组成OB块：程序循环块OB1、中断服务块OB35、暖启动块OB1000另外还用到了自定义的功能FC、数据块DB、系统功能SFC等。
    图3中保护子程序是整个装置的核心，根据实际应用中的具体保护类型，保护子程序包括绝缘监视保护、电流保护、欠压保护、选择性漏电保护等。其中，绝缘监视保护子程序的开发设计主要依据附加电阻的交流监视线保护原理。通过实时检测监视线和地线之间的电流，然后通过欧姆定律，结合监视电压，计算出电阻。选择性漏电保护子程序设计主要利用选相法。

    系统开始运行时，经过OB100初始化之后就开始任务调度，通过OB35定时进行模拟量采集，接受外部输入。本系统中，首先是以采样中断为原发事件，并按保护功能处理流程激活一系列后续任务FC8-FC11，完成保护功能的任务链。同时，系统通过FC7完成通讯功能以及人机交互任务等。当系统发生故障时，调用FC6进行故障判决。当满足故障判据后触发故障处理任务，实现报警等。

4 抗干扰设计
    由于该设备主要应用于煤矿井下，工作环境恶劣，存在强大的干扰源，这些干扰常常使控制器系统工作中断，造成严重事故，为此该设备从硬件、软件两方面进行了考虑。
    硬件方面：1)输入模块采用光电隔离I／O模块：输入电路接入光电耦合后，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲被有效阻挡；2)输出模块选用继电器隔离模块：利用继电器的线圈和触点间没有电气上的联系的特点，有效避免强电和弱电信号之间的直接接触。
    软件方面：在软件上主要采用滑动平均数字滤波，程序隶属于FC1模块，流程图如图4所示。该滤波方法对周期性交流电带来的干扰具有良好的抑制作用。

5 结论
    本文介绍了一种基于WinAC的高压防爆开关保护测控系统设计方法。硬件采用基于高性能的工业PC机，使系统接口简单、功能丰富、抗干扰性强；软件采用模块化设计思路，设计了功能强大的人机交互界面，开发了保护、故障处理等相关程序，保证了整个装置的可靠性、实时性和易扩展性。