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针对PLC 在工业自动控制中的广泛应用，且具有较大的地域分布性。以单片机为控制器，以TC35I 为传输中介，设计了一套无线监控系统。该系统成功地解决了单片机与使用Hostbbbb 协议的PLC 的数据交换问题，单片机与TC35I 模块的通信问题，实现了对PLC 系统的远程无线监控。该系统具有易携带、实用简单方便、网络覆盖面广、资费低廉等优点。具有一定得实用性和推广。

1 引言

由于PLC 具有稳定、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，因此PLC 作为一种的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。短消息服务业务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多系统开发商的重视。基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来，以手机为控制器，以手机短信(SMS)的形式借助GSM 网络来搭建与PLC 的远程交互平台显得很有意义，具有易携带、实用简单方便、网络覆盖面广、资费低廉等优点。本系统实现了用户以手机发送短信息的形式，通过GSM模块与PLC 控制器的数据通讯，调用相应的控制程序来实现控制目标的远程控制和状态查询等功能。

2 系统总体设计思想

本系统包括短信息接收与发送部分和终端数据处理两部分。前部分实现单片机对GSM 模块收发短信息的控制;后部分则完成对所接收到的信息进行编解码、对PLC 系统查询、结果反馈等功能，实现系统自动查询功能。

3 硬件电路

系统由GSM 网络、蜂窝通信引擎电路(TC35I 模块)、单片机控制电路(C8051f340)、通信接口电路(RS-232)、客户终端(手机)以及PLC 控制系统构成。着重阐述短信息接收与发送和终端数据处理流程。

3.1 电路原理

3.1.1 TC35I 模块

TC35I 模块主要由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成。通过ZIF 连接器与单片机实现电路接口，通过该接口读取或发送TC35I 模块中的数据，将是TC35I 模块的应用。TC35I 模块的主要特性与技术指标：

(1)频段为双频GSM900MHz 和GSM1800MHz(phase2/2+);(2)支持数据、语音、短消息和传真;(3)电源(3.3～4.8)V;(4)可选波特率(300～115)kbps，动波特率(4.8～115)kbps;(5)SIM 电压为3V/1.8V。

3.1.2 C8051f340 单片机介绍

下面介绍一下C8051f340 单片机的主要性能及特点。如表1所示，给出了C8051f340 单片机的主要性能及特点。C8051f340单片机有两个增强型UART 串口，可以同时兼顾对TC35I 和PLC的数据通信。并且该单片机拥有较多的中断资源，为以后的系统扩展提供了良好的硬件基础。

3.2 单片机与TC35I 模块的硬件连接

单片机与GSM 模块以及PLC 一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为9600bps。采用这种RS232 电缆方式进行连接时，的性较好，单片机硬件设计采用2 个TTL 转RS232 电平电路，分别连接到TC35I 和PLC 得串口上。所涉及的芯片包括单片机C8051f340 和电平转换芯片MAX232。具体的硬件电路，如图1 所示。

3.3 PLC 系统的介绍

可编程序控制器(Programmable Logic Controller)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型通用工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、性高、耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域。因此，对以PLC 为的系统进行监控，具有很大的现实意义。本系统就是对以PLC 为控制器的自动控制系统的研究。

4 系统工作流程

4.1 单片机与TC35I 的数据通信

C8051f340 与TC35I 的软件接口其实就是单片机通过与GSM 短信息有关的AT 指令控制手机的技术，如读取手机的息内容、删除息内容、列出手机中还未读的短消息等。执行l条指令，并非某些资料介绍的那么简单，事实上，指令的执行过程需要单片机与手机交互应答完成，每一次发送或接收的字节数有严格的规定，二者依据这些规定实现数据交换，否则，通信就是失败的。如表2 所示，为一条AT 指令的执行过程。

所有AT 指令的指令符号、常数、PDU 数据包等都以ASCⅡ编码形式传送。单片机控制手机工作，把手机的短信息工作模式设置为PDU 格式，即通过指令AT+CMGF=0 完成。单片机向手机发送每1 条指令后，以回车符作为该条指令的结束，回车的ASCⅡ编码为ODH，后1 个字节0DH 就是回车符，表示该条指令结束，如果没有这个回车符，手机将不识别这条指令。

控制手机的短消息有关的AT 指令有：(1) 单片机与TC35I模块由串口建立连接：AT;(2) 设置TC35I 模块工作模式：AT+CMGF=n，n=0：PDU 模式;n=1：文本模式，通常要设置为PDU 模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据(用户自定义数据);(3)读TC35I 模块短消息数据：AT+CMGR=n，n 为短消息号(十进制);(4)列出TC35I 模块内的短消息：AT=CMGL=n，n=0：未读的短消息; n=1：已读的短消息;n=2：未发送的短消息; n=3：已发送的短消息;n =4：所有的短消息;(5) 删除TC35I 模块短消息：AT+CMGD=n，n 为短消息号(十进制)。如图2 所示，为单片机与TC35I 的通信程图。

4.2 单片机与PLC 的数据通信

本系统以OMRON C 系列为例，下面介绍一下OMRON C 系列的数据通信协议：

数据读写类命令码为RX 或WX，这里的X 为数据区符号。如DM 区为D，保持继电器区位H，辅助继电器为J，计数器、定时器为C。

例1：@ 00 RH 0000 0002 5B * CR

例2：@ 00 WH 0000 FFFF FFFF 5F * CR

这里例1 为读数据命令，例2 为写数据命令。分别读写了两个字的内容。

PLC 收到指令后，如果正确执行了，则分别返回结果：

@ 00 RH 00 ×××× ×××× FCS * CR(对应例1)

@ 00 WH 00 FCS * CR(对应例2)

这里的×××× ××××为HR0000 及HR0001 通道的数据。FCS为校验码，占两个字符。

WH 和RH 后面的00 表示命令已经正确执行。否则执行错误。应指出的是，数据写命令只有在监控及编程状态下才能执行。

4.3 监控的实现

由于单片机与TC35I 以及PLC 的通信都是传送的ASCII值，所以要对其进行编译码的处理。下面笔者用一条短信实例来说明此问题。由新信息到达命令，读新信息，译码和指令处理等几个步骤。

当有新信息到达时，TC35I 模块会自动向单片机发送新信息到达命令(由CNMI 模式设定)。例如收到的命令为+CMTI: "SM"，

2.4实际接收到的为ASCII 码值：

2B434D54403A2022534D222C3234

    由于一个ASCII 码值只对应一个数字，所以新信息位置24(后两个字节)就被拆成2 和4 的ASCII 码值分别发送，即16 进制的32 和34。接下来是发送读新信息指令。要先把32 和34 对应的2 和4 进行整合，即24。发送at+cmgr=24，读取24 条信息。单片机收到以下信息+CMGR:1，，24 0891683108200205F0040D91683128118364F6000090509162C310B，如表3 所示。

如表3 所示，带下划线的00 是DCS 数据编码方法标示，它表示传输的是英文字符，采用7 位压缩编码。后两部分是数据部分，04 是数据长度，432C310B 是数据。经7 位译码得CXDY。即查询电压(用户预先定义的命令)的指令码。如表4 所示，为7-bit 编码过程，译码就是其逆过程，移位译码。

设电压数据在PLC 中的存储地址为HR0000，则单片机向PLC 发送读数据命令@ 00 RH 0000 0002 5B * CR。如果指令正确处理，则返回@ 00 RH 00 ×××× ×××× FCS * CR，其中×××× ××××为电压的数值。对于数值，是8 位编码，不用进行压缩编码，可以通过TC35I 模块直接发送数据到手机终端。返回数据信息。如图3所示数据处理流程。

由此，一条短信息经过GSM 网络发送到TC35I 模块中的SIM 卡上，然后由C8051f340 单片机对短消息进行译码，如果是合法的指令码，则对PLC 执行该指令码对应的预先设定好的操作。PLC 返回数据后，由C8051f340 对数据进行PDU 串处理，后以短信的形式反馈回客户端。完成对PLC 系统的监控。

5 结束语

基于TC35I 的远程监控系统设计小巧、功耗很低、操作简单、扩展能力强。可广泛的应用在遥测遥感、远程信息处理等通信工业领域，特别适用于无人职守等地区的远程信息交换，再加上PLC 在工业自动控制中的广泛应用，其开发应用前景十分广阔。

0 引言

煤矿井下低压电网遍布井下采、掘、装、运各个生产环节,低压漏电故障约占低压电网各种电气故障总概率的70～80 % ,是导致人身触电伤亡、引发瓦斯、煤尘爆炸,或发展为短路事故、电火灾事故的主要原因,所以漏电保护意识是井下“三大保护”之一。为了保证供电的性和连续性,要求采用有选择性的漏电保护系统。选择性漏电保护装置动作具有选择性,对于辐射式电网的多条配出线,只切除有漏电故障线路的电源,从而缩小了停电范围。

然而,由于低压选漏技术难度太大,直到现在国内各种防爆开关中所使用的选漏保护器或综合保护中选漏单元的实用效果仍不理想,选漏保护的误选、错选、落选情况严重,经常形成无选择性跳总开关,不仅造成大面积停电停产,而且由于总检漏延时300 ms 左右使总开关断电,且现有选漏系统因采用零序功率方向原理而普遍删除零序电抗器补偿电容电流功能,从而进一步加大了人身触电伤亡和引燃瓦斯爆炸的危险性。因此,研制型的选择性漏电保护装置是十分必要的。

由零序电流方向构成的选择性漏电保护,其所需的零序电流和零序电压数值较小,动作仅取决于它们的方向,保护灵敏度高,选择性好。因此,笔者基于零序电流方向构成的选择性漏电保护原理,采用PLC 技术设计了一种矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统,为井下低压电网的漏电保护提供了一种新的解决方案。

1 系统选择性漏电保护原理

矿用低压馈电开关选择性漏电保护系统的漏电保护原理主要是结合了附加直流电源检测原理和零序电流方向性保护原理,不仅利用零序电压和零序电流的幅值大小判断供电系统内部是否发生漏电和哪条支路发生漏电,同时还利用各支路零序电压和零序电流的相位关系来判断漏电支路。这样做既达到了很好的选择性目的,又能利用三重判断防止误动作。系统判断零序电压是否出动作整定值,若出,则要判断每条支路的零序电流是否出该支路动作整定值,若还出,则再判断零序电流和零序电压的相位差是否在动作整定的相位差范围之内,如果相位差在设定的范围之内,则可判断该支路必定发生漏电故障,进而发生漏电保护动作。在相位差的计算中增加对零序电流及电压信号的过零点趋势判断方法,进一步降低了谐波及其它干扰引起的误动作。

2 系统硬件设计

目前国内馈电开关综合保护系统一般是由分立元器件或单片机组成控制,结构复杂,安装调试困难;抗干扰能力差,故障率高,经常出现误动和拒动现象,漏电动作时间常常满足不了30 ms 的要求,尤其在供电距离短、电压高或供电距离长、电压低的情况下,在1 kΩ 漏电时动作时间长。另外,由于元器件的限制,开关缺少良好的人机界面,给故障判断和排除带来不便。国外同类产品普遍采用PLC作为控制,工艺水平较国内高。但是一旦出现故障,则维修较困难,影响生产。另外,国外产品价格高,是国内同类产品的十倍以上。

针对上述情况,笔者采用和利时PLC 中的馈电开关控制器LM3108 K 和人机界面(文本显示器及设置键盘) 构成低压馈电开关选择性漏电保护系统,来完成矿井低压电网的二级选择性漏电、对称短路、不对称短路、断相、过载和过电压等保护功能。该系统由基于附加直流检测的总漏电保护和基于零序电流方向判断的分支漏电保护组成,既可完成井下低压电网单相漏电时横向选择性和纵向选择性功能,又能保证电网对称漏电时保护动作电阻值的稳定性,使馈电开关既又。

系统硬件组成框图如图1 所示。LM3108 K 接收来自现场(经过现场侧一级变换) 的三相交流信号、零序信号,经IO 板上的通道处理模块放大处理后进入DSP 进行信号,采集的信号经板间连接器进入CPU 板,之后送上位机显示;上位机的相关配置参数下发到CPU 板,再由CPU 板下发到IO 板;电源板输入为24 V DC 信号,经过防护处理之后转换为+ 5 V 送入馈电模块使用,馈电模块中用到的其它内部电压也都由+ 5 V 转换后得到。IO 板和CPU 板分别以TI 公司生产的DSP 芯片TMS320L F2407A 和Infineon 公司生产的C164单片机为,二者之间数据通信由SPI 口完成。

信号采集原理如图2 所示, TA0 为零序电流互感器、TA1 - 3 为400 A/ 1 V 的电流互感器、T2 为馈电三相电抗器、T3 为1 140 V、660 V/ 10 V 的零序变压器。

系统采集的三相电流、零序电流、三相线电压、零序电压、系统电压、绝缘电阻等信号不需要转换成直流标准信号,而是直接进入PLC 中的模数转换芯片,后PLC 根据采集到的信号来控制断路器的合分闸;漏电和短路保护动作采用硬件中断方式,大大缩短了信号采集和故障发生时执行保护动作的时间,保证分开关保护的动作时间小于30 ms ,总开关保护动作时间小于200 ms ;增加了PLC 根据电网分布电容的大小和电网电压的高低来自动整定选择性漏电保护特性和动作参数的功能,提高了保护系统的智能性。此外,该系统还建立了良好的人机界面,文本显示器在开关合闸前循环显示电网的绝缘状态、动作整定值和开关的工作状态。开关合闸后,正常工作时循环显示电网的工作参数和对地的绝缘水平,故障跳闸后循环显示故障参数和故障状态,从而大大提高了判断故障和排除故障的效率。

3 系统软件设计

    系统软件设计主要包括PLC 控制程序设计和文本显示器监控界面设计2 个部分。其中PLC 控制程序在和利时的PowerPro V4 编程软件环境下完成,主要包括硬件配置及参数设置、通信定义和用户程序的编写等。PLC 控制程序主要由主程序、信号采集程序、信号滤波程序、信号比较程序、保护输出程序等子程序构成,其中漏电判断程序流程如图3 所示。

文本显示器监控界面利用通用工控组态软件eview 开发,主要设计了参数输入界面、开关参数显示界面、报警显示界面等,可实现控制系统的工况显示、参数设定、保护方式选择、报警显示等功能。

4 系统在井下供电设备中的应用

该智能低压馈电开关选择性漏电保护系统已成功应用于煤矿现场,其开关配置如图4 所示,包括1 台总馈电开关、6 台分支馈电开关,电网额定电压为1 140 V 。

总开关漏电保护闭锁值为42. 8 kΩ ,动作值为43 kΩ ,经实际测试,保护时间在200 ms 左右。分开关漏电保护闭锁值为42. 7 kΩ ,动作值为44 kΩ ,经实际测试,保护时间在30 ms 左右。

5 结语

本文提出的基于PLC 的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统不仅有稳定的动作值,而且还能实现电网横向选择性漏电保护和纵向漏电保护。在采用了一系列抗干扰措施后,系统工作的性为提高。该系统以PLC 为处理单元,不仅增强了保护的灵活性和快速性,而且建立了良好的人机互动界面,提高了判断故障和排除故障的效率。现场运行结果表明,该系统能够、快速地实现选择性漏电保护,提高了煤矿井下供电的性、性和连续性,具有广阔的推广应用前景。

0 前言

在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的运行对保证矿井生产起着非常重要的作用。

目前， 许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均人工完成，依赖于工人的责任心， 也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响煤矿自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成隐患。

1 控制系统功能设计

针对当前许多煤矿排水泵控制自动化水平不高、主要以人工控制为主，开发出一套以PLC 为的井下泵房自动控制系统，主要实现以下功能：

(1)控制功能系统设有手动、半自动和自动3种控制方式。手动控制方式通过就地控制箱实现，操作方法与原来人工控制流程相同，即：开泵时先注水，泵体灌满水后或用真空泵将泵体抽成一定真空度后，启动电机，然后逐渐打开排水阀门，泵组正常工作排水;停泵时先关排水阀门，再停电机。该方式主要用于初期调试和检修时的就地控制。半自动控制方式主要是由人工选择要开启的泵以及泵的台数，开泵、停泵按PLC 设定程序自动完成, 主要用于满足矿方特殊控制要求。自动控制方式以PLC 设定程序自动执行一系列操作，完成排水工作，不需要人为干涉，为正常投入使用后的常用模式。

(2)保护功能系统具有故障自诊断功能，对供电电压、电机电流、电机轴承温度、电机定子温度、水泵前后轴承温度、进出口压力等各项参数均有监测。当某项参数异常或出设定值时，PLC 判断故障并报警，同时停止故障泵组运行，有效保护电机和水泵，有利于故障的及时排除。

(3)实时显示参数信息采用西门子人机界面TP270 (触摸屏) 实时显示灌泵时水泵腔体的真空度，正常运行时单台水泵的流量、主排水管总流量、排水管路压力，电机定子及轴承温度、水泵轴承温度、水位，负载电机的低压开关柜的状态等参数。出现故障时还可显示报警信息。

(4)远程通讯及监控功能通过光缆以及相应信号交换设备， 将井下PLC 与井上工控机相连，采用WINCC 自动化软件建立综合自动化网络平台，可实现远程自动、半自动控制，实时显示、记录各泵组运行情况和相关参数， 支持历史数据查询。井下还可装设防爆型网络摄像机，通过光纤将图像传送到地面系统，地面调度通过硬盘录像机将画面发送到地面工业电视上。

(5)合理调度除可根据水位自动启动、停止泵组工作外，还可实现根据水位上涨速度控制泵组开启台数;根据水泵的平均备用时间自动轮换水泵的运行; 在满足排水要求保证生产的前提下，通过调整开泵时间，避开电力负荷高峰期，有效地削峰填谷，节约电费开支。

2 控制系统结构层次

为实现设计功能，该自动控制系统主要由以下六部分组成：

(1)监控组态软件;

(2)数据采集终端及数据处理系统;

(3)通讯接口及网络传输;

(4)机房设备及电控设备;

(5)信号采集装置;

(6)工业电视监控系统。

整个系统可分为3 个层次： 地面监控主站层;以PLC 为的控制及通讯管理层;机械设备层。

2.1 地面监控主站层

主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通过光缆与井下PLC、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件可以实时显示由井下PLC 采集并传输的主排水泵的运行参数， 并存储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥采用鼠标操作，就可以实现对各泵组的控制;工业电视和硬盘录像机可实时显示、记录井下状况。

2.2 控制及通讯管理层

由PLC 和触摸屏组成的数据采集终端及数据处理系统、电控设备、数据交换设备、信号采集装置等组成。PLC 负责完成信号处理、逻辑判断、故障诊断和参数记忆等功能。通过数据模块采集水位信号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择的控制方式按流程启动泵组，此时数据模块将采集供电电源、电机、水泵的各项参数，如：检测开关的带电状态、电机定子温度、轴承温度、泵出水口压力、主排水管流量、水泵前后轴温度等。各参数将在触摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站。控制原理如图1 所示。

2.3 机械设备层

煤矿排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、排水管道、管道阀门等。该自动控制系统是基于原煤矿排水系统的设计，只需在原有排水系统设备的基础上进行部分改动。除在电机、水泵和管道上做部分机械结构的改动以满足传感器的安装需要外，主要是对原有排水阀门、注水阀门换为电动可控阀门;加装为水泵注水的射流泵或为泵抽真空用的真空泵以满足水泵启动的需要。为保证性，防止自动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水，不破坏原排水系统结构形式，保留原始人工操作方式。

3 控制系统程序设计

控制系统程序的设计主要基于控制要求和具体控制方案的实现。本系统程序设计包括PLC 程序设计和组态软件程序设计两大部分。

3.1 PLC 程序设计

PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制。STEP 7软件是用于西门子S7-300/400 型PLC 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。S7 系列PLC 包括一个供电单元、一个CPU， 以及输入和输出模块(I/O 模块)。PLC 应用STEP 7 软件编制的S7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找I/O 模块，实现数据的输入输出。

PLC 编制程序时作硬件组态。其主要任务就是在STEP 7 中生成一个与实际硬件系统相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的,为编制顺序控制程序打下了基础。

用梯形图在STEP 7 中进行顺序控制程序编程。PLC 上电起动后执行内部初始化,然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块，程序流程如图2 所示。STEP 7 软件通过建立在线连接下载程序到PLC 以对编制好的程序进行调试， 可实现程序的运行状态监视、强制性数据变和输入输出信号的强制开/关等。

3.2 组态软件程序设计

组态软件编程主要用于生成人机交互界面，以便进行实时监控。本系统应用西门子公司的WINCC自动化软件进行程序设计，可以生成标准化输入/输出域、棒图、趋势图、光栅和矢量图，且具有动态性能的属性，可进行便捷的过程可视化,并提供集成的消息和报警系统。

编制的人机界面主要有控制画面、参数显示画面及故障报警记录等状态信息，编程框图如图3 所示。操作员可通过触摸屏进行系统的控制方式选择以及各项检测参数的显示，实现了整个控制过程的可视化。并且可以通过通讯同步到地面上位机，实现远程控制与监测。

4 结语

以西门子S7-300 型PLC 为的水泵自动控制系统，通过合理的程序设计和对原排水系统的改进，实现了根据水仓水位的高度、水位变化速度及用电避峰填谷原则，自动启动水泵进行排水，减轻工人劳动强度，增强井下排水的性。同时也实现了水泵运行的合理调度，提高设备利用率，节能增效。

自动控制系统采用了技术的西门子S7-300 型PLC，性能稳定，故障率低，且具有完备的故障诊断和保护功能， 保留的人工控制方式可在PLC控制系统故障时正常启动水泵。通过西门子触摸屏TP270，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。系统的通讯功能还可实现远程监控。总之，该系统的使用必将提高煤矿生产的自动化水平，对矿井生产具有重要意义。