一種改進(jìn)的煤礦上位機(jī)智能監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計

李倩倩，鄧 斌，胡文昊，朱蘭巧，夏正龍

(1.江蘇師范大學(xué) 科文學(xué)院工學(xué)院，徐州 221000；2.江蘇師范大學(xué) 電氣工程及其自動化學(xué)院，徐州 221116)

0 引言

隨著國家對于煤礦安全生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，對煤礦井上、下各級變電所進(jìn)行集中化測控與管理來提高煤礦變電所自動化、智能化的程度越來越重要。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)是整個煤 礦變電所監(jiān)測大系統(tǒng)的重要組成部分，是作為集控室操作人員與煤礦整體供電測控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系的橋梁，工作人員可以通過集控室上位機(jī)系統(tǒng)中的組態(tài)畫面了解到煤礦內(nèi)各級變電所設(shè)備運行狀況，進(jìn)行相關(guān)的調(diào)度工作安排。科技不斷進(jìn)步，研究人員開始對實時視頻進(jìn)行監(jiān)控，將拍攝到的視頻引入到監(jiān)控系統(tǒng)中，開發(fā)一套智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括對攝像頭實時拍攝到視頻中的目標(biāo)進(jìn)行識別檢測，根據(jù)算法分析目標(biāo)的行為得出結(jié)果，再向下位機(jī)系統(tǒng)中控制器下發(fā)指令完成指定功能[1]。

1 煤礦變電所上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

組態(tài)軟件是工業(yè)自動控制系統(tǒng)管理層的軟件平臺與開發(fā)環(huán)境，是對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中測控的專用軟件。本系統(tǒng)采用Wonderware公司開發(fā)的InTouch工業(yè)組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件為首個高集成化，基于組件的HMI系統(tǒng)，在HMI和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境方面處于世界領(lǐng)先地位[2]。根據(jù)煤礦環(huán)境的特殊性對系統(tǒng)控制器選型時選用西門子PLC，上位機(jī)測控與管理系統(tǒng)選型時采用高性能工控機(jī)，各級變電所中測控分站由PLC、IO模塊、通訊模塊、千兆交換機(jī)與光端機(jī)組成[3]。

1.1 煤礦變電所上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)功能

上位機(jī)系統(tǒng)主界面由各級變電所管理界面、用戶管理界面、報警顯示界面以及數(shù)據(jù)查詢界面等組成，各個界面中嵌套著許多子界面[4]。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)界面組態(tài)軟件采用為InTouch11.1版本編寫。

圖1 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)圖

由圖可知本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)界面主要由5部分組成：

1）各級變電所設(shè)備分布管理界面：煤礦變電所分為井上各級變電所與井下各級變電所，井上、下各級變電所中最為主要便是中央變電所。集控室操作人員根據(jù)這個界面可以對煤礦內(nèi)部各級變電所設(shè)備參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，例如：變電所內(nèi)高壓設(shè)備運行狀態(tài)、低壓設(shè)備參數(shù)以及各級變電所的大致分布；

2）操作人員管理界面：煤礦上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)擁有完善的人員管理功能，包括：用戶登錄、退出管理以及用戶權(quán)限管理等。上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)集控室人員等級管理辦法對登錄人員分配操作等級不同的權(quán)限，低權(quán)限等級用戶只能對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行查看，高等級用戶不僅可以對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行無限制操作還可以對低等級用戶進(jìn)行管理操作；

3）礦井電路監(jiān)測管理界面：此界面運行狀態(tài)下，操作人員可以根據(jù)測控系統(tǒng)對煤礦內(nèi)變電所高、低壓供電系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對線路中饋 電開關(guān)或綜保開關(guān)進(jìn)行測控以及對煤礦中設(shè)備通訊狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)燃墮?quán)限允許的情況下，操作人員可以通 過上位機(jī)系統(tǒng)將供電線路中開關(guān)進(jìn)行分合閘操作，對變電所內(nèi)繼保設(shè)備參數(shù)進(jìn)行整定操作；

4）報警信息管理界面：報警信息分為實時報警與歷史報警兩類。在上位機(jī)系統(tǒng)運行狀態(tài)下，實時報警信息發(fā)生時上位機(jī)會以警鈴加集控室外接紅燈閃爍的方式進(jìn)行提醒，并且在界面報警處提示報警發(fā)送的位置以及報警的內(nèi)容，有助于操作人員及時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行查找報警源。歷史報警信息是將實時報警信息存儲到內(nèi)部數(shù)據(jù)庫內(nèi)，當(dāng)有需要時按照條件進(jìn)行查詢[5]；

5）數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器界面：中央集控室的監(jiān)控界面將測控數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器內(nèi)或WEB服務(wù)器內(nèi)，礦長或廠方可以根據(jù)服務(wù)器地址登錄密碼隨時隨地查看相應(yīng)界面數(shù)據(jù)，監(jiān)測設(shè)備運行狀況，方便快捷。

上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)變電所人員登錄管理界面如圖2所示。上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)大巷變電所監(jiān)測管理界面如圖3所示。

圖2 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)變電所人員登錄管理界面圖

圖3 上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)大巷變電所監(jiān)測管理 界面圖

1.2 InTouch上位機(jī)組態(tài)軟件與西門子PLC進(jìn)行OPC通訊

OPC是微軟公司為過程控制領(lǐng)域設(shè)計的對象鏈接和嵌入技術(shù)，能夠提供一種與項目底層設(shè)備或集控室后臺數(shù)據(jù)庫等多個數(shù)據(jù)源進(jìn)行通訊的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制[6]。其最初是在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上使用，進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。但目前來說，上位機(jī)項目應(yīng)用程序內(nèi)皆可使用OPC接口標(biāo)準(zhǔn)。

InTouch與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用西門子公司開發(fā)的SIMATICNET軟件作為OPC服務(wù)器，通過網(wǎng)線將PLC與上位機(jī)系統(tǒng)中SIMATIC NET OPC服務(wù)器建立連接，利用FSGateway作為連接橋梁，令I(lǐng)nTouch組態(tài)軟件訪問點與SIMATICNET OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊，實現(xiàn)PLC與InTouch的數(shù)據(jù)交互[7]。FSGateway是由Wonderware公司設(shè)計用來作為數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的橋梁，F(xiàn)SGateway能夠使格式不同的客戶端讀取或操作不同協(xié)議服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。用戶可以利用SIMATICNET將工業(yè)現(xiàn)場中的通訊設(shè)備與上位機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交互，同時西門子為了適應(yīng)自動化工程通訊的多樣性，推出不同種類的通訊網(wǎng)絡(luò)方式供選擇，主要包括：工業(yè)以太網(wǎng)、AS-I、PROFIBUS、PROFINET[8]。FSGateway通訊支持協(xié)議的格式圖如圖4所示。InTouch組態(tài)軟件中訪問點配置圖如圖5所示。

圖4 FSGateway通訊支持協(xié)議格式圖

圖5 InTouch組態(tài)軟件中訪問點配置圖

2 煤礦變電所上位機(jī)系統(tǒng)測控功能實現(xiàn)

煤礦變電所上位機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以對煤礦中各級變電所高、低壓主線路狀態(tài)進(jìn)行測控；對變電所內(nèi)高、低壓柜內(nèi)儀表電氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括電壓、電流、有功、無功功率、功率因子等；對煤礦綜合保護(hù)設(shè)備的定值參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程整定下載等。權(quán)限允許的話，在集控室上位機(jī)界面遠(yuǎn)程完成饋電開關(guān)等綜保設(shè)備的分合閘與復(fù)位動作。當(dāng)測量參數(shù)的實時監(jiān)測值超過正常設(shè)定值時或繼保設(shè)備非正常跳閘時，系統(tǒng)能夠發(fā)出聲光報警，并彈出對話框提醒集控室操作人員。報警對話框彈出后需要操作人員下發(fā)指令 對保護(hù)設(shè)備進(jìn)行復(fù)位來關(guān)閉報警，防止與接下來報警混淆。同時，錯誤信息出現(xiàn)的時間、地點以及出錯類型都記錄在報警界面。上位機(jī)系統(tǒng)對煤礦變電所設(shè)備狀態(tài)與電參數(shù)測控圖如圖6所示。上位機(jī)系統(tǒng)對煤礦變電所設(shè)備參數(shù)整定圖如圖7所示。

圖6 上位機(jī)系統(tǒng)對煤礦變電所電參數(shù)狀態(tài)測控圖

圖7 上位機(jī)系統(tǒng)對煤礦變電所設(shè)備參數(shù)整定圖

3 煤礦上位機(jī)智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)

隨著科技進(jìn)步，研究人員開始對實時視頻進(jìn)行監(jiān)控，將拍攝到的視頻引入到監(jiān)控系統(tǒng)中，開發(fā)一套智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括對攝像頭實時拍攝到視頻中的目標(biāo)進(jìn)行識別檢測，根據(jù)算法分析目標(biāo)的行為得出結(jié)果，再向下位機(jī)系統(tǒng)中控制器下發(fā)指令完成指定功能[9]。

3.1 智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)視頻監(jiān)控只是攝像頭代替人對所監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行視頻拍攝，人工對視頻中圖像進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)異常再進(jìn)行通知人員進(jìn)行處理，此種監(jiān)控方式缺乏實時操作性并且效率低下，對場地設(shè)備和人員安全性無法保證[10]。

智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)，又叫做智能視頻監(jiān)控，是機(jī)器視覺中目前較為火熱的一個應(yīng)用方向。智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控最為突出的便是其智能性，即無需人為處理只需添加計算機(jī)智能算法進(jìn)行處理便可對攝像頭實時拍攝視頻進(jìn)行監(jiān)測，對視頻中需要檢測的運動目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記，一旦發(fā)生異?，F(xiàn)象便可下發(fā)指令到下位機(jī)控制器中進(jìn)行報警動作，警示值班人員對出現(xiàn)異常情況的設(shè)備進(jìn)行處理。

3.2 Python與西門子S7-1500PLC通訊

隨著當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)因行業(yè)發(fā)展需要，廠內(nèi)數(shù)據(jù)急需集中測控管理，所以需要設(shè)備與外界系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)。但傳統(tǒng)設(shè)備因硬件設(shè)計不能直接與外界進(jìn)行通訊，通常需要借助通訊介質(zhì)。因此，結(jié)合工業(yè)系統(tǒng)實際情況提出一種想法，利用PC作為一個中介橋梁，將工業(yè)系統(tǒng)中控制器數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)或外網(wǎng)對設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程測控，同時在PC中集合智能算法與圖像處理技術(shù)，增加實時圖像報警，對系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化。在 PC機(jī)中可以利用多 種環(huán)境與PLC等微控制器進(jìn)行互聯(lián)互通，例如C/C++、C#、LabVIEW與Python等，項目中選用Python語言環(huán)境。Python作為當(dāng)前最火的一種語言環(huán)境，在云計算、圖像處理等諸多方面都被使用，庫種類豐富、應(yīng)用廣泛、可植入性強(qiáng)，因此，選擇Python語言應(yīng)用到本項目中。

在Python環(huán)境中創(chuàng)建Client，根據(jù)Snap7通訊庫規(guī)約，定義通訊協(xié)議進(jìn)行與PLC的連接。該通訊協(xié)議中需要對設(shè)備自身型號以及Address、Rack、Slot與Tcpport進(jìn)行賦值，其中Address為PLC的IP地址，假如利用虛擬PLC進(jìn)行仿真，此處便為虛擬PLC所在電腦的IP地址，Rack為機(jī)架號，Slot為插槽號，在虛擬S7-1200與S7-1500PLC中為固定值分別是0和1，端口值Tcpport默認(rèn)為102無需更改。連接建立完成后，對于想要讀取PLC的輸出映像Q區(qū)值需要再定義一個讀取協(xié)議來獲取PLC各個區(qū)的數(shù)值，此協(xié)議中需要對設(shè)備型號、Area、Dbnumber、Start與Size進(jìn)行賦值，Area為PLC內(nèi)各寄存區(qū)的代碼，具體地址區(qū)域表示值如表1示。協(xié)議中Dbnumber為DB數(shù)據(jù)塊號，只有當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)訪問PLC中DB塊時才需使用，Start為訪問寄存區(qū)起始地址，Size為所需要訪問的數(shù)據(jù)長度。Python與PLC通訊后可以對PLC的輸出映像Q區(qū)進(jìn)行讀寫操作、對M區(qū)進(jìn)行讀寫操作與對PLC內(nèi)DB數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀操作等。

表1 地址區(qū)域表示值

3.3 基于Python-PLC圖像報警算法

智能遙視監(jiān)控系統(tǒng)主要是對圖像中運動目標(biāo)的檢測。目標(biāo)檢測是基于目標(biāo)幾何特征對視頻中圖像進(jìn)行分割監(jiān)測的一種技術(shù)，是在對實時視頻幀和背景幀的分析后，從圖像中分割出所需的目標(biāo)，并確定這一目標(biāo)的位置[11,12]。常用的運動目標(biāo)檢測算法為背景差分算法、幀間差分算法以及光流算法等，其中幀間差分算法使用最為廣泛，在實際應(yīng)用中優(yōu)點明確，操作起來比較方便、運行效率高。但幀間差分法也存在明確的缺點，容易受外部環(huán)境影響，當(dāng)外部環(huán)境較差，對運動目標(biāo)的圖像進(jìn)行特征提取時，會出 現(xiàn)特征提取不完整的現(xiàn)象，需要其他監(jiān)測方法與該算法協(xié)同使用。基于幀間差分算法的此類缺點，項目中引入背景法，對兩種算法進(jìn)行結(jié)合完成對運動目標(biāo)的檢測。首先對攝像頭拍攝到的視頻進(jìn)行分幀處理，并對第一幀利用混合高斯模型進(jìn)行處理用做監(jiān)測目標(biāo)的背景幀。同時為了處理準(zhǔn)確方便，對視頻幀進(jìn)行灰度化轉(zhuǎn)換；接著為了防止圖像中的噪聲點影響檢測，對視頻幀圖像借助形態(tài)學(xué)處理，利用開運算方式對視頻幀圖像先腐蝕再膨脹，將圖片中噪聲點進(jìn)行去除。遍歷視頻幀圖像輪廓，設(shè)置周長閾值，滿足這個周長閾值，利用矩形框進(jìn)行標(biāo)記。計算出視頻幀圖像數(shù)組和，之后將每一實時圖像幀數(shù)組和都與背景幀數(shù)組和進(jìn)行作差，將差值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較來判斷目標(biāo)是否發(fā)生了變化。

項目中將所需監(jiān)控攝像頭固定在一定位置并且檢測運動目標(biāo)為已知相關(guān)設(shè)備開關(guān)，同時為了便于觀察井下設(shè)備運行情況，確保設(shè)備正常工作，綜保正常分合閘，利用C#語言編程完 成界面可視化將攝像頭拍攝實時內(nèi)容引入到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。設(shè)備遙視監(jiān)測圖如圖8所示。變電所遙視監(jiān)測圖如圖9所示。Python-PLC數(shù)據(jù)交互圖如圖10所示。

圖8 設(shè)備遙視監(jiān)測圖

圖9 變電所遙視監(jiān)測圖

圖10 Python-PLC數(shù)據(jù)交互圖

4 結(jié)語

本文基于InTouch組態(tài)軟件，根據(jù)系統(tǒng)針對對象進(jìn)行軟件工程設(shè)計的方法設(shè)計出一套煤礦變電所供電控制與管理的上位機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)礦方所提出項目功能要求組態(tài)出上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主畫面、各級變電所供電畫面與故障及報警提示組件等。在InTouch軟件設(shè)置訪問點，借助FSGateway與西門子SIMATIC NET建立通信，之后與西門子S7-1500 PLC完成通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程對煤礦各級變電所設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)進(jìn)行測控功能的上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)，對各級變電所統(tǒng)一集中監(jiān)測管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時交互。結(jié)合圖像處理技術(shù)，基于Snap7通訊庫定義Python-PLC的通信連接協(xié)議對實時視頻圖像進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對重點區(qū)域開關(guān)狀態(tài)變化報警提示功能，將攝像頭拍攝畫面引入到上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)行同步實時監(jiān)測，進(jìn)一步提高煤礦變電所供電系統(tǒng)的自動化水平。同時后期可以在危險區(qū)域布置同類型視頻圖像監(jiān)測系統(tǒng)，對將要誤入危險區(qū)域的工作人員進(jìn)行及時提醒，保證安全作業(yè)。