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    一种改进的煤矿上位机智能监视系统设计

    时间：2023-03-25 17:05:05来源：百花范文网本文已影响人

    李倩倩，邓 斌，胡文昊，朱兰巧，夏正龙

    (1.江苏师范大学 科文学院工学院，徐州 221000；
    2.江苏师范大学 电气工程及其自动化学院，徐州 221116)

    随着国家对于煤矿安全生产的高标准、严要求，对煤矿井上、下各级变电所进行集中化测控与管理来提高煤矿变电所自动化、智能化的程度越来越重要。上位机监测系统是整个煤 矿变电所监测大系统的重要组成部分，是作为集控室操作人员与煤矿整体供电测控系统进行联系的桥梁，工作人员可以通过集控室上位机系统中的组态画面了解到煤矿内各级变电所设备运行状况，进行相关的调度工作安排。科技不断进步，研究人员开始对实时视频进行监控，将拍摄到的视频引入到监控系统中，开发一套智能遥视监控系统。此系统包括对摄像头实时拍摄到视频中的目标进行识别检测，根据算法分析目标的行为得出结果，再向下位机系统中控制器下发指令完成指定功能[1]。

    组态软件是工业自动控制系统管理层的软件平台与开发环境，是对数据进行集中测控的专用软件。本系统采用Wonderware公司开发的InTouch工业组态软件，该组态软件为首个高集成化，基于组件的HMI系统，在HMI和面向对象的图形开发环境方面处于世界领先地位[2]。根据煤矿环境的特殊性对系统控制器选型时选用西门子PLC，上位机测控与管理系统选型时采用高性能工控机，各级变电所中测控分站由PLC、IO模块、通讯模块、千兆交换机与光端机组成[3]。

    1.1 煤矿变电所上位机监测系统功能

    上位机系统主界面由各级变电所管理界面、用户管理界面、报警显示界面以及数据查询界面等组成，各个界面中嵌套着许多子界面[4]。上位机监测系统界面结构图如图1所示。上位机监测系统界面组态软件采用为InTouch11.1版本编写。

    图1 上位机监测系统界面结构图

    由图可知本系统上位机监测系统界面主要由5部分组成：

    1）各级变电所设备分布管理界面：煤矿变电所分为井上各级变电所与井下各级变电所，井上、下各级变电所中最为主要便是中央变电所。集控室操作人员根据这个界面可以对煤矿内部各级变电所设备参数与设备状态进行监测，例如：变电所内高压设备运行状态、低压设备参数以及各级变电所的大致分布；

    2）操作人员管理界面：煤矿上位机监测系统拥有完善的人员管理功能，包括：用户登录、退出管理以及用户权限管理等。上位机系统根据集控室人员等级管理办法对登录人员分配操作等级不同的权限，低权限等级用户只能对监测系统进行查看，高等级用户不仅可以对监测系统进行无限制操作还可以对低等级用户进行管理操作；

    3）矿井电路监测管理界面：此界面运行状态下，操作人员可以根据测控系统对煤矿内变电所高、低压供电系统运行状态进行监测，对线路中馈 电开关或综保开关进行测控以及对煤矿中设备通讯状态进行监控。当等级权限允许的情况下，操作人员可以通 过上位机系统将供电线路中开关进行分合闸操作，对变电所内继保设备参数进行整定操作；

    4）报警信息管理界面：报警信息分为实时报警与历史报警两类。在上位机系统运行状态下，实时报警信息发生时上位机会以警铃加集控室外接红灯闪烁的方式进行提醒，并且在界面报警处提示报警发送的位置以及报警的内容，有助于操作人员及时发现，进行查找报警源。历史报警信息是将实时报警信息存储到内部数据库内，当有需要时按照条件进行查询[5]；

    5）数据上传服务器界面：中央集控室的监控界面将测控数据上传到云端服务器内或WEB服务器内，矿长或厂方可以根据服务器地址登录密码随时随地查看相应界面数据，监测设备运行状况，方便快捷。

    上位机监测系统变电所人员登录管理界面如图2所示。上位机监测系统大巷变电所监测管理界面如图3所示。

    图2 上位机监测系统变电所人员登录管理界面图

    图3 上位机监测系统大巷变电所监测管理 界面图

    1.2 InTouch上位机组态软件与西门子PLC进行OPC通讯

    OPC是微软公司为过程控制领域设计的对象链接和嵌入技术，能够提供一种与项目底层设备或集控室后台数据库等多个数据源进行通讯的标准机制[6]。其最初是在网络服务器上使用，进行数据访问。但目前来说，上位机项目应用程序内皆可使用OPC接口标准。

    InTouch与PLC进行数据交互，使用西门子公司开发的SIMATICNET软件作为OPC服务器，通过网线将PLC与上位机系统中SIMATIC NET OPC服务器建立连接，利用FSGateway作为连接桥梁，令InTouch组态软件访问点与SIMATICNET OPC服务器进行通讯，实现PLC与InTouch的数据交互[7]。FSGateway是由Wonderware公司设计用来作为数据格式转换的桥梁，FSGateway能够使格式不同的客户端读取或操作不同协议服务器中的数据。用户可以利用SIMATICNET将工业现场中的通讯设备与上位机系统联网完成数据交互，同时西门子为了适应自动化工程通讯的多样性，推出不同种类的通讯网络方式供选择，主要包括：工业以太网、AS-I、PROFIBUS、PROFINET[8]。FSGateway通讯支持协议的格式图如图4所示。InTouch组态软件中访问点配置图如图5所示。

    图4 FSGateway通讯支持协议格式图

    图5 InTouch组态软件中访问点配置图

    煤矿变电所上位机控制与管理系统可以对煤矿中各级变电所高、低压主线路状态进行测控；
    对变电所内高、低压柜内仪表电气参数进行监测，包括电压、电流、有功、无功功率、功率因子等；
    对煤矿综合保护设备的定值参数进行远程整定下载等。权限允许的话，在集控室上位机界面远程完成馈电开关等综保设备的分合闸与复位动作。当测量参数的实时监测值超过正常设定值时或继保设备非正常跳闸时，系统能够发出声光报警，并弹出对话框提醒集控室操作人员。报警对话框弹出后需要操作人员下发指令 对保护设备进行复位来关闭报警，防止与接下来报警混淆。同时，错误信息出现的时间、地点以及出错类型都记录在报警界面。上位机系统对煤矿变电所设备状态与电参数测控图如图6所示。上位机系统对煤矿变电所设备参数整定图如图7所示。

    图6 上位机系统对煤矿变电所电参数状态测控图

    图7 上位机系统对煤矿变电所设备参数整定图

    随着科技进步，研究人员开始对实时视频进行监控，将拍摄到的视频引入到监控系统中，开发一套智能遥视监控系统。此系统包括对摄像头实时拍摄到视频中的目标进行识别检测，根据算法分析目标的行为得出结果，再向下位机系统中控制器下发指令完成指定功能[9]。

    3.1 智能遥视监控系统

    传统视频监控只是摄像头代替人对所监控目标进行视频拍摄，人工对视频中图像进行观察发现异常再进行通知人员进行处理，此种监控方式缺乏实时操作性并且效率低下，对场地设备和人员安全性无法保证[10]。

    智能遥视监控系统，又叫做智能视频监控，是机器视觉中目前较为火热的一个应用方向。智能遥视监控系统相比较于传统视频监控最为突出的便是其智能性，即无需人为处理只需添加计算机智能算法进行处理便可对摄像头实时拍摄视频进行监测，对视频中需要检测的运动目标进行标记，一旦发生异常现象便可下发指令到下位机控制器中进行报警动作，警示值班人员对出现异常情况的设备进行处理。

    3.2 Python与西门子S7-1500PLC通讯

    随着当今物联网的快速发展，传统工业系统因行业发展需要，厂内数据急需集中测控管理，所以需要设备与外界系统构成闭环网络。但传统设备因硬件设计不能直接与外界进行通讯，通常需要借助通讯介质。因此，结合工业系统实际情况提出一种想法，利用PC作为一个中介桥梁，将工业系统中控制器数据上传到数据库，实现内网或外网对设备数据的远程测控，同时在PC中集合智能算法与图像处理技术，增加实时图像报警，对系统进行升级优化。在 PC机中可以利用多 种环境与PLC等微控制器进行互联互通，例如C/C++、C#、LabVIEW与Python等，项目中选用Python语言环境。Python作为当前最火的一种语言环境，在云计算、图像处理等诸多方面都被使用，库种类丰富、应用广泛、可植入性强，因此，选择Python语言应用到本项目中。

    在Python环境中创建Client，根据Snap7通讯库规约，定义通讯协议进行与PLC的连接。该通讯协议中需要对设备自身型号以及Address、Rack、Slot与Tcpport进行赋值，其中Address为PLC的IP地址，假如利用虚拟PLC进行仿真，此处便为虚拟PLC所在电脑的IP地址，Rack为机架号，Slot为插槽号，在虚拟S7-1200与S7-1500PLC中为固定值分别是0和1，端口值Tcpport默认为102无需更改。连接建立完成后，对于想要读取PLC的输出映像Q区值需要再定义一个读取协议来获取PLC各个区的数值，此协议中需要对设备型号、Area、Dbnumber、Start与Size进行赋值，Area为PLC内各寄存区的代码，具体地址区域表示值如表1示。协议中Dbnumber为DB数据块号，只有当上位机系统访问PLC中DB块时才需使用，Start为访问寄存区起始地址，Size为所需要访问的数据长度。Python与PLC通讯后可以对PLC的输出映像Q区进行读写操作、对M区进行读写操作与对PLC内DB数据块进行读操作等。

    表1 地址区域表示值

    3.3 基于Python-PLC图像报警算法

    智能遥视监控系统主要是对图像中运动目标的检测。目标检测是基于目标几何特征对视频中图像进行分割监测的一种技术，是在对实时视频帧和背景帧的分析后，从图像中分割出所需的目标，并确定这一目标的位置[11,12]。常用的运动目标检测算法为背景差分算法、帧间差分算法以及光流算法等，其中帧间差分算法使用最为广泛，在实际应用中优点明确，操作起来比较方便、运行效率高。但帧间差分法也存在明确的缺点，容易受外部环境影响，当外部环境较差，对运动目标的图像进行特征提取时，会出 现特征提取不完整的现象，需要其他监测方法与该算法协同使用。基于帧间差分算法的此类缺点，项目中引入背景法，对两种算法进行结合完成对运动目标的检测。首先对摄像头拍摄到的视频进行分帧处理，并对第一帧利用混合高斯模型进行处理用做监测目标的背景帧。同时为了处理准确方便，对视频帧进行灰度化转换；
    接着为了防止图像中的噪声点影响检测，对视频帧图像借助形态学处理，利用开运算方式对视频帧图像先腐蚀再膨胀，将图片中噪声点进行去除。遍历视频帧图像轮廓，设置周长阈值，满足这个周长阈值，利用矩形框进行标记。计算出视频帧图像数组和，之后将每一实时图像帧数组和都与背景帧数组和进行作差，将差值与设定阈值进行比较来判断目标是否发生了变化。

    项目中将所需监控摄像头固定在一定位置并且检测运动目标为已知相关设备开关，同时为了便于观察井下设备运行情况，确保设备正常工作，综保正常分合闸，利用C#语言编程完 成界面可视化将摄像头拍摄实时内容引入到上位机监控系统中。设备遥视监测图如图8所示。变电所遥视监测图如图9所示。Python-PLC数据交互图如图10所示。

    图8 设备遥视监测图

    图9 变电所遥视监测图

    图10 Python-PLC数据交互图

    本文基于InTouch组态软件，根据系统针对对象进行软件工程设计的方法设计出一套煤矿变电所供电控制与管理的上位机系统。根据矿方所提出项目功能要求组态出上位机监控系统主画面、各级变电所供电画面与故障及报警提示组件等。在InTouch软件设置访问点，借助FSGateway与西门子SIMATIC NET建立通信，之后与西门子S7-1500 PLC完成通讯，实现远程对煤矿各级变电所设备参数、状态进行测控功能的上位机组态系统，对各级变电所统一集中监测管理，进行数据实时交互。结合图像处理技术，基于Snap7通讯库定义Python-PLC的通信连接协议对实时视频图像进行监测，实现对重点区域开关状态变化报警提示功能，将摄像头拍摄画面引入到上位机监测系统中进行同步实时监测，进一步提高煤矿变电所供电系统的自动化水平。同时后期可以在危险区域布置同类型视频图像监测系统，对将要误入危险区域的工作人员进行及时提醒，保证安全作业。

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