采煤機電氣測試平臺上位機系統(tǒng)設計

李 雷，黃 偉

（陽泉煤業(yè)集團煤機裝備研究院，山西 陽泉 045000）

1 采煤機電氣測試平臺上位機系統(tǒng)設計技術(shù)背景

隨著礦井生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提升，對大型綜采電氣設備可靠性、穩(wěn)定性的要求也越來越高，因此對于滾筒采煤機的電氣檢測技術(shù)就顯得越來越重要。為確保綜采工作面滾筒采煤機能夠安全作業(yè)，提高生產(chǎn)效率，避免采煤機因電氣線路部分出現(xiàn)故障而導致意外事故發(fā)生，應加大對采煤機電氣模塊的電氣線路部分的檢測。傳統(tǒng)的電氣維修測試方法是在采煤機整體裝配完成以后對其上電測試，當采煤機出現(xiàn)電氣方面的故障時，需要對每個電氣模塊及其電氣線路部分進行檢查，逐步排除和解決問題以消除故障，在這一過程中，會浪費檢測和維修人員大量的時間和精力。采煤機運行過程中容易出現(xiàn)主機不啟動、牽引方向速度無法改變、搖臂不能升降、遙控器端頭站失靈等諸多故障[1]。同時，隨著電子通信技術(shù)、過程控制系統(tǒng)、組態(tài)軟件的不斷完善和發(fā)展，車間設備維修人員也對采煤機電氣模塊的數(shù)據(jù)自動采集和監(jiān)測、遠程控制有了更高的要求。因此，為了進一步保證生產(chǎn)安全、提高工作效率、較大程度地節(jié)約產(chǎn)能和人工成本，設計一種能夠用于快速測試采煤機電氣模塊的上位機系統(tǒng)顯得十分迫切。

本文主要介紹了一種采煤機電氣測試平臺的上位機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能組成及其設計方案。首先，介紹上位機系統(tǒng)的3 個界面即大電流控制柜界面、低壓控制柜界面、報警系統(tǒng)界面的組成；其次，著重闡述上位機系統(tǒng)設計方案，包括上位機系統(tǒng)的用于過程控制的對象連接與嵌入（OPC） 通信設計、變量系統(tǒng)控件組態(tài)設計以及報警系統(tǒng)設計；最后，結(jié)合實際對上位機系統(tǒng)的3 個界面進行了功能測試，并進行總結(jié)。

2 上位機系統(tǒng)界面組成及其介紹

筆者設計的采煤機電氣測試平臺上位機系統(tǒng)以Windows 7 操作系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境，采用是WinCC 7.0組態(tài)軟件為開發(fā)工具，并使用SQL Server 2005 為數(shù)據(jù)庫。

該上位機系統(tǒng)界面包括大電流控制柜界面、低壓控制柜界面和報警系統(tǒng)界面。3 個界面上均設置有3 個界面跳轉(zhuǎn)按鈕，當屏幕顯示某個界面時，該界面跳轉(zhuǎn)按鈕變?yōu)榫G色，其余兩個界面跳轉(zhuǎn)按鈕仍為透明。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理報警情況，每個界面都有一個報警指示燈來指示報警狀態(tài)，當出現(xiàn)報警時，報警指示燈會紅白交替閃爍；而沒有發(fā)生報警或報警解除時，報警指示燈顯示為綠色。

2.1 大電流控制柜界面組成

大電流控制柜界面主要包括1 個交流電壓表（交流0～250 V） 控件、1 個交流電流表（交流0～500 A） 控件、1 個交流電壓表示數(shù)的輸出域、1 個交流電流表示數(shù)的輸出域、時間控件、啟動按鈕、停止按鈕、電流上升按鈕、電流下降按鈕、時間復位按鈕、報警指示燈、近控和遠控的顯示指示。圖1 為大電流控制柜界面。

圖1 采煤機電氣測試平臺大電流控制柜界面

2.2 低壓控制柜界面組成

低壓控制柜界面主要包括1 個直流電壓表（直流0～30 V） 控件、1 個直流毫安電流表（直流0～30 mA） 控件、1 個交流電壓表（交流0～220 V） 控件、1 個直流電壓表示數(shù)的輸出域、1 個直流毫安電流表示數(shù)的輸出域、1 個交流電壓表示數(shù)的輸出域、時間控件、啟動按鈕、停止按鈕、電流上升按鈕、電流下降按鈕、報警指示燈、近控和遠控的顯示指示，還有其他按鈕分別用來實現(xiàn)采煤機主控器上升、下降、牽啟、牽停、截啟、截停、顯示、方式、向左、向右、加速、減速等功能。圖2 為低壓控制柜界面。

圖2 采煤機電氣測試平臺低壓控制柜界面

2.3 報警系統(tǒng)界面組成

報警系統(tǒng)界面主要包括報警控件和報警指示燈，用來實現(xiàn)對電壓值、電流值的模擬量報警。當交流電壓表示數(shù)或交流電流表示數(shù)超過規(guī)定上限值時，報警系統(tǒng)界面會顯示報警時間記錄、報警消息文本及確認報警解除時間。圖3 為報警系統(tǒng)界面。

圖3 采煤機電氣測試平臺報警系統(tǒng)界面

3 上位機系統(tǒng)設計方案

3.1 上位機系統(tǒng)的OPC 通信設計

OPC 是一種可以應用在工業(yè)領(lǐng)域的開放式系統(tǒng)接口標準，能夠在WinCC 7.0 等工業(yè)控制軟件、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 等電氣設備之間進行簡單的標準化數(shù)據(jù)交換。因此，可以在工控機上利用OPC 對采煤機電氣測試平臺的大電流控制柜、低壓控制柜的各項參數(shù)進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程調(diào)控以及對PLC S7-200 SMART進行數(shù)據(jù)加工處理。

與此同時，下位機和下位機系統(tǒng)的通信具體是由PLC S7-200 SMART 通過S7-200 PC Access SMART v2.3 軟件與WinCC 7.0 組態(tài)軟件進行OPC通信的[2-4]。由于PC Access 支持以太網(wǎng)協(xié)議，因此工控機和PLC 的OPC 通信的硬件連接是通過網(wǎng)線進行連接的。

3.1.1 PC Access 中OPC 通信的配置

PC Access 中OPC 通信的配置分為設置PC/PG通信接口、創(chuàng)建PLC 的站點、添加OPC 變量、測試OPC 通信是否正常4 個步驟：一是在工控機的控制面板里設置PC/PG 通信接口，確定通信方式是以太網(wǎng)方式[2]；二是創(chuàng)建一個PLC S7-200 SMART的站點，并設置相應的名稱；三是添加OPC 變量，即在PC Access 數(shù)據(jù)庫里添加需要對PLC 進行讀和寫的變量，主要分為關(guān)于開關(guān)按鈕的開關(guān)量和關(guān)于電表示數(shù)的浮點數(shù)變量兩類，這些變量在PC Access 中是通過條目的形式存儲的，在條目中主要設置了變量的PLC 地址、變量名稱、讀寫方式；四是在PC Access 的測試客戶端依次檢驗所有條目的通信設置是否正常，在設置完P(guān)C Access 數(shù)據(jù)庫后，保存文件以使WinCC 中能夠找到S7-200 OPC Server 的組態(tài)，以便于對WinCC 進行OPC 通信的相關(guān)設置。

3.1.2 WinCC 中OPC 通信的設置

WinCC 中OPC 通信設置主要包括設置OPC 驅(qū)動程序、設置OPC 服務器、導入OPC 變量3 個部分：一是設置OPC 驅(qū)動程序，在WinCC 的變量管理中添加OPC 驅(qū)動程序“OPC.chn”[3]；二是設置OPC 服務器，即設置WinCC 中的OPC 條目管理器，設置本地計算機Local 的系統(tǒng)參數(shù)為S7-200 OPC Server；三是導入OPC 變量，把PC Access 數(shù)據(jù)庫中的變量導入WinCC 的OPC 變量目錄S7-200 OPC Server 下[4]。

其中，開關(guān)按鈕所鏈接的布爾型變量直接通過OPC 服務器和PLC 進行通信；而電壓表示數(shù)、電流表示數(shù)通信則采用Modbus 協(xié)議通信和OPC 通信兩種通信方式進行數(shù)據(jù)通信。具體而言，首先設置電表的從站地址和STEP7 中的地址，以實現(xiàn)Modbus 協(xié)議通信；其次設置S7-200 PC Access SMART 中的電表的地址，使該地址的值與STEP7 PLC 編程程序中的地址的值相一致；最后實現(xiàn)對電表的OPC 示數(shù)通信。

3.2 上位機系統(tǒng)的變量系統(tǒng)控件組態(tài)設計

上位機系統(tǒng)的變量系統(tǒng)中，布爾型變量分別與所對應的按鈕控件、報警指示燈、近控和遠控的顯示指示文本框等相鏈接，設置按鈕控件屬性中的“全局顏色方案”為否。

1） 按鈕控件。對啟動按鈕設置按鈕控件中的“事件”中的“按左鍵”，使得按下按鈕時按鈕的背景顏色為綠色；對停止按鈕則相應設置，使得按下按鈕時按鈕的背景顏色為紅色；對其他按鈕設置按鈕控件中的“事件”中的“按左鍵”和“釋放左鍵”，使得按下按鈕時按鈕的背景顏色為綠色，松開按鈕時恢復白色。

2） 報警指示燈。所鏈接的變量設置為：當該變量為1 時背景顏色有閃爍效果；當該變量為0 時背景顏色為綠色。

3） 近控和遠控的顯示指示文本框。所鏈接的變量設置為：當該變量為1 時遠控文本框背景顏色為綠色，遠控文本框背景顏色為透明；當該變量為0 時情況則相反。

4） 輸入輸出域控件。所鏈接的變量顯示設置為保留3 位小數(shù)。

5） 電壓表控件、電流表控件。其中表盤示數(shù)的背景顏色設置為：安全區(qū)為綠色，運行區(qū)為黃色，危險報警區(qū)為紅色。

3.3 上位機系統(tǒng)的報警系統(tǒng)設計

根據(jù)采煤機電氣測試平臺的要求，需要對大電流控制柜的調(diào)壓器輸出電壓、大電流發(fā)生器的輸出電流和低壓控制柜的調(diào)壓器輸出電壓進行報警。由于電壓值、電流值均為模擬量，因此在WinCC 組態(tài)中要設置為模擬量報警。上位機系統(tǒng)的報警系統(tǒng)組態(tài)主要包括報警編輯器的設置和報警顯示的設置兩部分。圖4 為模擬量報警設置。

圖4 模擬量報警設置

3.3.1 報警編輯器的設置

報警編輯器的設置主要包括設置消息塊中要顯示的消息、設置消息類別、組態(tài)報警消息的顏色、添加要監(jiān)視的模擬量變量、設置相應的模擬量報警消息內(nèi)容以及設置上限值。一是設置消息塊中要顯示的消息，主要包括日期、時間、編號、消息文本（故障信息）、錯誤位置（故障代碼）[2-4]；二是設置消息類別，分為報警、故障和警告等類別；三是組態(tài)報警消息的顏色，報警出現(xiàn)時文本顏色顯示為紅色，報警確認后文本顏色顯示為綠色；四是添加要監(jiān)視的模擬量變量，包括大電流控制柜的交流電流表所鏈接的變量dadianliu_dianliu、交流電壓表所鏈接的變量dadianliu_dianya 以及低壓控制柜的交流電壓表所鏈接的變量diyadianya_2；五是設置相應的模擬量報警消息內(nèi)容，分別為大電流控制柜電流超過上限、大電流控制柜調(diào)壓器電壓超過上限、低壓控制柜調(diào)壓器電壓超過上限；六是設置上限值，主要是根據(jù)大電流發(fā)生器的過流值、調(diào)壓器的過壓值確定的，變量dadianliu_dianliu，dadianliu_dianya，diyadianya_2 的上限值分別設置為500 A，250 V，250 V。

3.3.2 報警顯示的設置

報警顯示的設置中使用WinCC 自帶的報警控件“WinCC AlarmControl”來顯示報警消息事件。先設置報警控件中設置消息塊中要顯示的消息包括日期、時間、編號、消息文本（故障信息）、錯誤位置（故障代碼）[2-4]；再修改WinCC 中的“計算機”的啟動屬性為啟動報警記錄運行系統(tǒng)和圖形運行系統(tǒng)。

4 上位機系統(tǒng)功能測試設計

4.1 上位機系統(tǒng)的通信測試

首先，測試上位機系統(tǒng)的可移植性。把WinCC和S7-200 PC Access SMART 的項目文件和數(shù)據(jù)庫文件傳送到工控機上，然后修改工控機上的PC/PG通信接口，并在STEP7 的通信功能中查找CPU，測試聯(lián)通情況，經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)WinCC 能與PLC 正常通信。其次，測試PLC 和WinCC，PC Access，STEP7 編程程序之間的通信以及共同工作狀態(tài)，測試結(jié)果證明上位機的OPC 通信正常。測試中發(fā)現(xiàn)電壓表控件示數(shù)、電流表控件示數(shù)和實際的電壓值、電流值相一致，驗證了電表和WinCC，STEP7之間的Modbus 協(xié)議通信正常。最后，測試多臺上位機的OPC 通信連接情況，通過使用網(wǎng)線和TENDA 交換機把兩臺WinCC 上位機連接起來[5]，通過測試發(fā)現(xiàn)兩臺上位機均能正常通信和工作且互不干擾。

4.2 上位機系統(tǒng)的操作測試

上位機系統(tǒng)的操作測試界面是大電流控制柜界面和低壓控制柜界面。下面結(jié)合具體實例，介紹采煤機電氣測試平臺上位機系統(tǒng)的操作測試。

4.2.1 上位機大電流控制柜界面的操作測試

1） 準備工作。在進行大電流控制柜的操作測試前，先完成電路連接、大電流控制柜相關(guān)設置和集控柜相關(guān)設置。一是電路連接，先將電流發(fā)生器輸出側(cè)導電帶穿在所測采煤機油泵電機、行走電機或者截割電機的電流互感器中，再將一根19 芯的電纜與大電流控制柜連接；二是大電流控制柜相關(guān)設置，閉合大電流控制柜操作面板上的空氣開關(guān)，大電流控制柜的電源指示燈亮；三是集控柜相關(guān)設置，把集控柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至遠控操作端，先按下集控柜的啟動按鈕，再按下顯示屏開機鍵，上位機系統(tǒng)運行后在集控柜顯示屏上選擇大電流控制柜操作界面。

2） 上位機大電流控制柜界面的操作測試內(nèi)容。準備工作完成后，首先，按下大電流控制柜界面上的啟動按鈕，觀察大電流控制柜啟動按鈕、運行指示燈的工作情況。其次，按下電流上升按鈕，觀察導電帶上的電流是否上升，電流表控件上是否能夠顯示出當前導電帶上的電流值。再次，按下電流下降按鈕，觀察電流表控件示數(shù)是否下降，并觀察電流表顯示的電流值是否能夠調(diào)節(jié)至零。最后，把集控柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至近控操作端，觀察上位機系統(tǒng)是否仍然能夠控制大電流控制柜。

3） 上位機大電流控制柜界面的操作測試結(jié)果分析。測試發(fā)現(xiàn)，在大電流控制柜界面上，按下相應的界面跳轉(zhuǎn)按鈕后，確實可以跳轉(zhuǎn)到其他的界面。在按下電流上升按鈕、電流下降按鈕后，電流值能夠迅速地上升或者下降，并且可以將電流值降為零。大電流控制柜界面的輸入輸出域可以準確地顯示出電流表示數(shù)。啟動按鈕、停止按鈕能夠滿足起保停電路的要求，即按下后可以一直保持，不會跳變，而且滿足互鎖的要求。電流上升按鈕、電流下降按鈕、時間復位按鈕能夠滿足按下時常開觸點閉合、松開時常開觸點斷開的要求。把集控柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至近控操作端后，上位機系統(tǒng)不能夠再對大電流控制柜進行控制，從而避免了遠控操作和近控操作出現(xiàn)沖突和矛盾的情況。

4.2.2 上位機低壓控制柜界面的操作測試

1） 準備工作。在進行低壓控制柜的操作測試前，要先完成電路連接、低壓控制柜相關(guān)設置和集控柜相關(guān)設置：一是電路連接，先將測試平臺連接器與采煤機主控器相連接，再將一根19 芯的電纜與低壓控制柜連接；二是低壓控制柜相關(guān)設置，開啟低壓控制柜操作面板上的空氣開關(guān)；三是集控柜相關(guān)設置，把集控柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至遠控操作端，先按下集控柜的啟動按鈕，再按下顯示屏開機鍵，上位機系統(tǒng)運行后在集控柜顯示屏上選擇低壓控制柜操作界面。

2） 上位機低壓控制柜界面的操作測試內(nèi)容。準備工作完成后，首先，按下啟動按鈕，觀察啟動按鈕指示燈是否變亮，采煤機電控裝置是否上電。其次，依次操作測試平臺上的上升、下降、牽啟、牽停、截啟、截停、顯示、方式、向左、向右、加速、減速等功能按鈕，并結(jié)合采煤機顯示屏觀察顯示動作情況。最后，調(diào)節(jié)模擬電流電位器，觀察低壓控制柜電流表示數(shù)、電壓表示數(shù)情況。

3） 上位機低壓控制柜界面的操作測試結(jié)果分析。測試發(fā)現(xiàn)，啟動按鈕、停止按鈕、電流上升按鈕、電流下降按鈕均能正常工作，并滿足互鎖的要求。上升、下降、牽啟、牽停、截啟、截停、顯示、方式、向左、向右、加速、減速等功能按鈕均能按照開關(guān)按鈕的常開觸點的控制需求，實現(xiàn)相應的控制功能。直流電壓表控件、直流毫安電流表控件、交流電壓表控件均能顯示出符合精度要求的真實的電流值、電壓值。測試中出現(xiàn)了低壓控制柜界面按鈕動態(tài)背景顏色刷新速度較慢的問題，經(jīng)過對更新周期和觸發(fā)器周期的多次修改，最終使得按鈕動態(tài)背景顏色刷新速度有了較大的提高。

4.3 上位機系統(tǒng)的報警系統(tǒng)測試

1） 上位機系統(tǒng)的報警系統(tǒng)的測試內(nèi)容。在大電流控制柜和低壓控制柜正常工作的情況下，分別按下大電流控制柜和低壓控制柜的電流上升按鈕，使大電流控制柜的交流電流表示數(shù)超過500 A、交流電壓表示數(shù)超過250 V，使低壓控制柜的交流電壓表示數(shù)超過250 V，觀察報警界面和報警指示燈的工作運行狀態(tài)。

2） 上位機系統(tǒng)報警系統(tǒng)的測試結(jié)果分析。測試結(jié)果表明，當交流電壓表示數(shù)超過250 V 或交流電流表示數(shù)超過500 A 時，報警指示燈會開始出現(xiàn)紅白閃爍的狀態(tài)，報警界面會出現(xiàn)報警記錄，包括報警時間、故障代碼、故障消息，提示工作人員及時進行應對處理。當報警解除后，報警指示燈會變?yōu)榫G色，提示工作人員進行報警解除。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合一種滾筒采煤機電氣測試平臺的功能和結(jié)構(gòu)，設計了相應的上位機系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、平臺控制、報警記錄等功能。同時本文給出了該上位機系統(tǒng)的設計方案，并對系統(tǒng)進行了相應的功能測試和調(diào)整，最終實現(xiàn)了對煤礦井下滾筒采煤機的電氣模塊的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)檢測以及大電流控制柜、低壓控制柜的遠程控制和操作。該上位機系統(tǒng)有利于讓現(xiàn)場工作人員快速判斷出滾筒采煤機電氣模塊故障類型和故障原因，并及時解決問題以消除故障，從而有效地提高了煤礦工程技術(shù)人員對滾筒采煤機的電氣檢測和維修能力。