CAN+OPC構(gòu)架下的分布式井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

史 磊

（山西省自動化研究所，山西太原 030012）

0 引言

煤炭是我國最重要的一次能源，煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟的主要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對國家經(jīng)濟發(fā)展起著重要的作用。但是煤炭行業(yè)由于資源儲存條件特殊、工作環(huán)境惡劣等因素。面臨著十分嚴峻的安全生產(chǎn)問題。

為確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)，作為為煤炭安全生產(chǎn)保障的重要部分—煤礦電力系統(tǒng)，其對于安全運行和經(jīng)濟運行的要求較公共電網(wǎng)更高，因此更加迫切需要運用現(xiàn)代的計算機和通信技術(shù)實現(xiàn)實時電力系統(tǒng)的安全監(jiān)測和控制，以確保安全生產(chǎn)所必不可少的供電可靠性。本系統(tǒng)是將煤礦井下配電裝置的各種參數(shù)上傳到地面管理中心，實現(xiàn)實時遠程監(jiān)視與控制，極大地縮短了井下電力線路出現(xiàn)問題的發(fā)現(xiàn)時間，降低了管理員的工作強度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)建設(shè)的必要性及市場需求分析

1.1 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

煤礦井下采區(qū)變電所供電服務(wù)對象為采煤、掘進、運輸、排水等重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，供電負荷種類繁多，區(qū)域分布廣。負荷工作場所地質(zhì)條件復(fù)雜，事故發(fā)生率高，故障排查、停送電周期長，影響了采區(qū)的安全生產(chǎn)，供電部門每天用于值班和線路維護的工作人員較多，降低了勞動生產(chǎn)率。煤炭供電網(wǎng)絡(luò)自動化控制系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用于煤礦地面供電系統(tǒng)方面，特別是無人值守監(jiān)控系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)建設(shè)的市場需求分析

煤礦安全是全國安全生產(chǎn)工作的重中之重。國家提倡建設(shè)數(shù)字化礦山，投資建設(shè)煤礦安全生產(chǎn)自動化監(jiān)測、監(jiān)控和管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)是根據(jù)我國煤炭企業(yè)的現(xiàn)狀和煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測、監(jiān)控及其管理系統(tǒng)的研究、開發(fā)和應(yīng)用狀況，利用信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)改進煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀，逐漸制定規(guī)范的技術(shù)標準體系，包括井下和地面（遠程）監(jiān)測、監(jiān)控及其管理系統(tǒng)，改善現(xiàn)有各種監(jiān)控數(shù)據(jù)相互獨立，不能協(xié)調(diào)使用的現(xiàn)狀，使各系統(tǒng)互通與兼容;立足現(xiàn)有煤礦企業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對己有煤礦遠程監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)進一步進行優(yōu)化、完善，以構(gòu)建數(shù)字化礦山。

2 系統(tǒng)主要研究內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵

2.1 系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線模式，主干信道是光纖以太環(huán)網(wǎng)到各井下配電室，通過交換機本安RJ45接口將各電力分站接入以太環(huán)網(wǎng)。在各配電室內(nèi)采用分布式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，各個開關(guān)的綜合保護器接入到電力分站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中，CAN總線將各綜合保護器和電力分站連結(jié)成分布式現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)［1］。該網(wǎng)絡(luò)中，電力分站和各個綜合保護器都有自己的ID標志，且各ID不重復(fù)。由綜合保護器采集開關(guān)的各種信號參數(shù)和保護信息，通過CAN總線送至電力分站，電力分站對采集到的信息進行處理，并集中上傳到地面監(jiān)控計算機。分站也可根據(jù)監(jiān)控計算機的指令對綜合保護器進行控制。同時匯集井下配電室的視頻信號，最終實現(xiàn)五遙功能（遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙視）。

2.1.2 系統(tǒng)功能

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由上位機組態(tài)軟件（WinCC）和數(shù)據(jù)通信軟件程序（OPC）兩部分構(gòu)成，管理界面設(shè)計得盡量簡單，方便管理人員操作;通信軟件設(shè)計除了完成正常數(shù)據(jù)通信外，還要能夠自動檢測各通信線路的通訊故障和報警信號，以便及時發(fā)現(xiàn)和排除故障。系統(tǒng)主要功能有:

（1）實時記錄數(shù)據(jù)（包括:井下綜保裝置采集的數(shù)據(jù)、事件記錄、故障記錄、操作記錄）到數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005），能夠?qū)v史記錄進行分析、處理與統(tǒng)計;

（2）實時遙控:選中畫面上的開關(guān)實時下發(fā)遙控命令;

（3）實時和歷史曲線:可顯示系統(tǒng)內(nèi)所有遙測點的數(shù)據(jù)曲線;

（4）事件和報警記錄查詢:能夠?qū)崿F(xiàn)多種查詢功能;

（5）實時和歷史報警打印:有報警事件發(fā)生時可實時打印相關(guān)數(shù)據(jù);

（6）能夠生成井下配電室每臺開關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計日報表、月報表、年報表。

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，使得煤炭電力監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋面積越來越大，信息的共享程度越來越高。目前，煤礦電力調(diào)度系統(tǒng)的集成不再只是不同廠家現(xiàn)場設(shè)備的集成，而有可能是多種不同監(jiān)控子系統(tǒng)之間的集成［2］，這就要求系統(tǒng)集成商必須開發(fā)多種硬件設(shè)備與子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件來滿足系統(tǒng)集成的技術(shù)要求。

OPC技術(shù)可以為該問題提供成熟的解決方案。它是國際現(xiàn)場總線基金會倡導(dǎo)的工業(yè)自動化領(lǐng)域中硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)集成的技術(shù)標準。遵照該標準，系統(tǒng)集成商可以用相同的方法實現(xiàn)不同硬件設(shè)備系統(tǒng)之間的集成，硬件廠家也可以提供一套驅(qū)動程序用于滿足不同集成商的需要［3］。采用OPC技術(shù)的煤礦井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)礦區(qū)所有電力變配電監(jiān)控子系統(tǒng)的信息集成，井下層變電所監(jiān)控子系統(tǒng)收集現(xiàn)場開關(guān)內(nèi)綜合保護裝置的數(shù)據(jù)，并負責(zé)向地面層監(jiān)控系統(tǒng)提供所采集的數(shù)據(jù)。同時為將來與企業(yè)管理系統(tǒng)之間的無縫結(jié)合提供了良好的通信平臺。這樣，層與層之間通過OPC技術(shù)實現(xiàn)無縫連接，最后實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)之間、不同監(jiān)控系統(tǒng)之間、監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)之間的信息集成。

2.1.3 監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)特性

·先進性:監(jiān)控組態(tài)軟件作為一個實時界面實用程序生成器，可以產(chǎn)生在管理級別上的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集程序。監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)集強大功能和使用方便于一體，具有可視化IE風(fēng)格界面、豐富的工具欄。

·便捷性:監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能使企業(yè)的基層和其他部門建立起聯(lián)系，現(xiàn)場操作人員和管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)，優(yōu)化控制現(xiàn)場作業(yè)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

·獨特性:監(jiān)控組態(tài)軟件可從屏幕抓取點位圖提高該系統(tǒng)的運行效率;用戶自定義函數(shù)功能能精確地控制應(yīng)用系統(tǒng);用戶自定義圖庫功能可以不受限制擴充圖庫或新建圖庫，以滿足不同行業(yè)的需要。

3 項目關(guān)鍵技術(shù)

3.1 故障錄波

故障錄波器在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其錄波數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)故障分析、保護動作評價的重要依據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計的故障錄波數(shù)據(jù)處理模塊是將目前井下電力系統(tǒng)中運行的不同類型，采用不同通訊規(guī)約的綜保裝置上的錄波數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，統(tǒng)一通信規(guī)范及錄波數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)在同一平臺上接受不同型號錄波設(shè)備的故障數(shù)據(jù)文件，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)綜合處理及輔助分析等功能。

3.2 CAN總線的應(yīng)用

目前，現(xiàn)場總線技術(shù)在電力自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，使電力在線檢測系統(tǒng)成為分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，并使整個系統(tǒng)較傳統(tǒng)的集中監(jiān)測系統(tǒng)性能增強、功能更為完善。

本系統(tǒng)采用目前在工業(yè)測控系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用的CAN總線構(gòu)成煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)。CAN總線采用OSI/ISO模型全部7層中的2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可以這2層為基礎(chǔ)，根據(jù)實際需要開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議。

3.3 井下電力計量

本系統(tǒng)利用井下隔爆開關(guān)內(nèi)安裝采集器，對煤礦井下用電進行集中管理。利用采集器對井下各饋電開關(guān)進行電量脈沖計數(shù)，同時，把脈沖數(shù)換算成電度和瞬時功率，累加后保存在永不揮發(fā)的RAM中，并具有數(shù)字顯示功能;處理器是整個系統(tǒng)的通信橋梁，通過循環(huán)查詢采集器的計數(shù)值，并通過串行通信把數(shù)據(jù)傳送到井下分站中;井下分站對井下各饋電開關(guān)處的用電情況進行匯集并上傳至地面監(jiān)控中心，然后在系統(tǒng)組態(tài)畫面中進行實時圖表顯示、統(tǒng)計匯總、圖形分析，查詢打印、超量告警等，界面美觀，操作簡單方便。

3.4 越級跳閘解決方案

本系統(tǒng)配備的新型綜合保護裝置是最新的電力監(jiān)控保護裝置。在解決越級跳閘等問題上，它獨有的解決方案大大提高了保護的可靠性和安全性。其突出特點如下［4］:

（1）三段式保護可分別設(shè)定成速斷、限時速斷及過載保護，各個保護電流和時間定值均可獨立設(shè)定，便于系統(tǒng)中保護的上下級配合，避免了越級跳閘;

（2）失壓保護經(jīng)電流閉鎖，增加了延時設(shè)定，避免電壓閃動而引起的全所失壓跳閘;

（3）保護裝置數(shù)字化，定值連續(xù)可調(diào)，保護動作精度高。避免保護誤動和拒動;

（4）精確的事件順序記錄和故障錄波功能，有助于迅速定位故障，避免故障后試合開關(guān)多次頂跳上級開關(guān)。

4 系統(tǒng)前景分析

“CAN+OPC構(gòu)架下的分布式井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)”用于對煤礦井下供電系統(tǒng)進行實時監(jiān)測監(jiān)控以及保障電網(wǎng)的安全運行。該系統(tǒng)利用高性能的工業(yè)控制計算機與功能強大的工業(yè)組態(tài)軟件相結(jié)合，完成了監(jiān)測、控制等數(shù)據(jù)的多種功能，并與供電控制開關(guān)內(nèi)的綜合保護裝置結(jié)合在一起，通過通信網(wǎng)絡(luò)使開關(guān)的各項參數(shù)傳送到地面工業(yè)控制計算機，實現(xiàn)井下電力參數(shù)測控的現(xiàn)代化，使地面監(jiān)控中心的計算機可以方便地對煤礦的用電負荷進行分級管理，便于合理地供電，以確保煤礦電網(wǎng)的可靠性、安全性以及經(jīng)濟性。

［1］榮相，徐向成.CAN總線在煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工礦自動化，2006（4）:71-72.

［2］劉希軍，席波.煤礦井下電網(wǎng)綜合自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（5）:80-82，92.

［3］張坤鰲，龔尚福.基于OPC技術(shù)的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)集成研究［J］.工礦自動化，2006（2）:10-13.

［4］劉建國.礦區(qū)電力線路在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.中州煤炭，2007（5）:35，37.