三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的新型煤礦井下電力安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

伍龍，吳永祥，周孟然

（1.淮南師范學(xué)院 電氣信息工程系；2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的新型煤礦井下電力安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

伍龍1，吳永祥2，周孟然2

（1.淮南師范學(xué)院 電氣信息工程系；2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

利用嵌入式監(jiān)控分站作為中繼站，智能電力裝置面向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合地面微機(jī)管理系統(tǒng)，形成了三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的新型煤礦井下電力安全監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試，結(jié)果表明：監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常、動(dòng)作可靠、靈敏度高、顯示正確無誤、各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了三級(jí)網(wǎng)絡(luò)整定保護(hù)定值和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了煤礦井下電力安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力。

三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；電力安全監(jiān)控系統(tǒng)；嵌入式監(jiān)控分站；智能電力裝置

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)己在我國(guó)煤炭行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。煤礦供電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用于煤礦井上變電所的微機(jī)保護(hù)、微機(jī)管理檢測(cè)方面，特別是無人值班監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)也得了廣泛應(yīng)用[1-2]。而煤礦井下由于供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且受環(huán)境、地質(zhì)條件等因素的制約，影響供電系統(tǒng)運(yùn)行的不確定因素也較多，因此，對(duì)井下供電系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控也十分迫切。

近年來，煤礦供電管理部門在改進(jìn)井下配電裝備、應(yīng)用新技術(shù)成果的同時(shí)，不斷強(qiáng)化人員素質(zhì)的管理，煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性得到了提高。但由于人為因素造成的供電事故也時(shí)有發(fā)生，影響了煤礦的安全生產(chǎn)。

煤礦井下采區(qū)變電所服務(wù)對(duì)象為采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、排水等重要壞節(jié)，供電負(fù)荷種類繁多，區(qū)域分布廣。負(fù)荷工作場(chǎng)所地質(zhì)條件復(fù)雜，而且存在著瓦斯、煤塵、水等有害介質(zhì)，事故發(fā)生率高，故障排查、停送電周期長(zhǎng)，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(hù)的工作人員較多，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了三層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的煤礦井下電力安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過嵌入式監(jiān)控分站作為中繼站，來提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速度和縮短系統(tǒng)巡測(cè)周期，從而提高系統(tǒng)的整體性能，在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用。智能電力裝置面向現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

嵌入式監(jiān)控分站設(shè)計(jì)了CAN總線通信接口、以太網(wǎng)通信接口和RS-485及RS－232串口，這樣就形成了三層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)：一、通過RS-485與智能電力裝置進(jìn)行通信，同時(shí)通過CAN總線直接連接到地面監(jiān)控主機(jī)，形成一層監(jiān)控；二、通過以太網(wǎng)通信接口連接到Intranet和Internet上，形成一層遠(yuǎn)程監(jiān)控；三、通過智能電力裝置形成的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及硬件設(shè)計(jì)[3-6]

本系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象是井下各變電所里的高低壓配電開關(guān)，是相對(duì)集中的地方。但變電所之間距離往往相距甚遠(yuǎn)，所以系統(tǒng)具有集散型的特點(diǎn)，本文研制的煤礦供電系統(tǒng)及供電設(shè)備的微機(jī)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)，不僅可以監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式和有關(guān)的電氣參數(shù)、電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，并且可以對(duì)全礦所有的供電設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，極大地提高了煤礦電網(wǎng)的管理水平和設(shè)備的使用效率，有利于煤礦的安全生產(chǎn)。

井下電力監(jiān)控系統(tǒng)共分地面微機(jī)管理系統(tǒng)、嵌入式監(jiān)控分站、智能電力裝置三部分 （如圖1所示）。嵌入式監(jiān)控分站與智能電力裝置之間采用RS-485的通訊方式。地面微機(jī)管理系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)與嵌入式監(jiān)控分站之間采用高可靠性的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式。各智能電力裝置相互獨(dú)立，并行工作，各變電所分站也相互獨(dú)立，互不影響。所以整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為DCS分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工作可靠高效；分站帶備用電池，保證在井下各配電裝置出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)都能繼續(xù)可靠工作。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

第一部分，地面微機(jī)管理系統(tǒng)主要任務(wù)是對(duì)整個(gè)井下采區(qū)變電所的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并通過先進(jìn)友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)所有采區(qū)變電所的監(jiān)控及管理。其由以太網(wǎng)通信接口、監(jiān)控主機(jī)、其它網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等組成。只有監(jiān)控主機(jī)可以對(duì)井下設(shè)備變電所內(nèi)配電設(shè)備進(jìn)行人工控制操作，它直接與通信接口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制輸出，其它計(jì)算機(jī)可通過局域網(wǎng)顯示部分或全部監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)，但不能進(jìn)行控制操作。

第二部分，嵌入式監(jiān)控分站（如圖2所示）是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其通過網(wǎng)絡(luò)信息通道收集各前置智能電力終端的上傳信息，并傳達(dá)到地面微機(jī)管理系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)下傳監(jiān)控主機(jī)下達(dá)的控制和調(diào)整命令給所有與它相連的智能電力裝置。嵌入式監(jiān)控分站還可以通過以太網(wǎng)通信接口連接到Intranet和Internet上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。嵌入式監(jiān)控分站采用AT91RM9200為核心處理器，選用合適的芯片設(shè)計(jì)完成其存儲(chǔ)系統(tǒng) （包括8MB的Flash、32MB的 SDRAM 和 512KB的 I2C EEPROM）；通信系統(tǒng)（包括1路以太網(wǎng)、2路CAN、1路485、1路USB Host接口、1路USB Device接口和l路232串口）；輸入輸出系統(tǒng)（包括 32路I/O、8路A/D、2路D/A和2路PWM）；人機(jī)接口（包括4個(gè)7段LED，一個(gè)4×4鍵盤及1個(gè)64×128的LCD顯示接口）；支撐電路（晶振、PLL和復(fù)位電路）；電源及掉電保護(hù)（提供系統(tǒng)需要的5V、3.6V、1.8V電壓和實(shí)時(shí)時(shí)鐘掉電保護(hù)）。因此分站可以提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速度和縮短系統(tǒng)巡測(cè)周期，從而提高系統(tǒng)的整體性能，在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用。

圖2 嵌入式監(jiān)控分站設(shè)計(jì)整體框圖

第三部分，面向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的間隔層測(cè)控、保護(hù)“一體化”智能電力裝置，該裝置采用統(tǒng)一模塊，放置于高、低壓開關(guān)防爆腔內(nèi)，形成就地微機(jī)保護(hù)和SCADA（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控）為一體的前置智能測(cè)控單元。

圖3 智能電力裝置總體框圖

本系統(tǒng)中智能電力裝置主要由電源模塊、CPU模塊、光電隔離交流采樣模塊、光電隔離開關(guān)采樣模塊、遠(yuǎn)動(dòng)控制模塊組成。其核心部分是16位單片機(jī)80C196KB。系統(tǒng)時(shí)鐘由時(shí)鐘芯片提供，并由控制中心精確對(duì)時(shí)。網(wǎng)絡(luò)接口采用RS-485組成的串行接口網(wǎng)絡(luò)。電源部分采用電源模塊，使裝置能在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工作。智能電力裝置總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[7-8]

作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心，嵌入式軟件采用何種方式編寫對(duì)監(jiān)控分站性能的發(fā)揮起到了至關(guān)重要的作用。過去由于受存儲(chǔ)技術(shù)和微處理器處理速度等因素的限制，寫入監(jiān)控分站的嵌入式程序一般都是一個(gè)大循環(huán)加上若干個(gè)中斷服務(wù)程序組成。這種編寫方式在處理一般的應(yīng)用中能夠勝任，但是在面對(duì)多任務(wù)、多協(xié)議、復(fù)雜應(yīng)用時(shí)顯然已經(jīng)不能滿足要求。隨著內(nèi)存容量的迅速擴(kuò)大以及價(jià)格的下降和嵌入式微處理器的處理速度的提升，操作系統(tǒng)進(jìn)入到嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)成為可能并已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)控制器的需求在控制器上移植操作系統(tǒng)是必須的也是可行的。基于嵌入式操作系統(tǒng)的監(jiān)控分站軟件整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 嵌入式軟件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II統(tǒng)一管理和調(diào)度各個(gè)任務(wù)，在底層編寫好硬件驅(qū)動(dòng)程序如CAN總線驅(qū)動(dòng)程序、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、485驅(qū)動(dòng)程序、串口驅(qū)動(dòng)程序等，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線和Internet接入編寫好CANopen協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧，各個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)的任務(wù)通過寫好API函數(shù)訪問CANopen協(xié)議棧操作CAN總線，與以太網(wǎng)相關(guān)的任務(wù)通過寫好的API函數(shù)訪問TCP/IP協(xié)議棧操作以太網(wǎng)接入Internet。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的任務(wù)可以通過寫好的API函數(shù)直接訪問硬件完成操作，而一些對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的任務(wù)或者簡(jiǎn)單的任務(wù)可以直接對(duì)硬件操作，完成操作。

2.1 μC/OS-II在 AT91RM9200 上的移植

移植μC/OS-II到不同的處理器上最重要的就是修改三個(gè)文件——OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C里的相關(guān)代碼。由于篇幅的限制，簡(jiǎn)單介紹移植到AT91RM9200的主要工作：

（1）用#define設(shè)置一個(gè)常量的值（OS_CPU.H）#define OS_STK_GROWTH 1

設(shè)定堆棧指針的增長(zhǎng)方向?yàn)橛筛叩降汀?/p>

（2）聲明 11個(gè)數(shù)據(jù)類型（OS_CPU.H）

因?yàn)椴煌奶幚砥骶幾g器對(duì)于變量類型分配的位組長(zhǎng)度是不一樣的，因此為了移植的一致性，在不同的處理器平臺(tái)上需要重新定義變量類型。如：

ARM體系中有專門的寄存器存儲(chǔ)當(dāng)前處理器的狀態(tài)，用戶通過讀取該寄存器可以得到并保存處理器的狀態(tài)，當(dāng)需要恢復(fù)中斷時(shí)可以使處理器回到禁止中斷前的狀態(tài)，設(shè)計(jì)中就是使用了這種方式（METHOD=3）來實(shí)現(xiàn)中斷的開與關(guān)。

ARM體系中提供了軟件中斷SWI，但因?yàn)锳DS允許在C語言程序中調(diào)用匯編程序，因此這里用匯編語言編寫了任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw（），在C語言程序調(diào)用來完成任務(wù)的切換。

（4）用C語言編寫6個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)（OS_CPU_C.C），OSTaskStkInit（），OSTaskCreateHook（），OSTaskDelHook （ ），OSTaskSwHook （ ），OSTaskStatHook（ ），OSTimeTickHook（ ），其中唯一必要的函數(shù)是OSTaskStkInit（），其它5個(gè)函數(shù)是擴(kuò)展的關(guān)聯(lián)函數(shù)，可以只是聲明，當(dāng)用戶需要擴(kuò)展功能時(shí)才需要編寫。OSTaskStklnt（）被OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（ ）調(diào)用，來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，使得堆?？雌饋砭拖駝偘l(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧中的情形一樣。

（5）編寫 6個(gè)匯編語言函數(shù)（OS_CPU_A.S）

OSStartHighRdy（ ），OSCtxsw（ ），OSIntCtxSw（ ），OS_CPU_Tick_ISR（ ），OS_CPU_SaveSR（ ），OS_CPU_RestoreSR（）

其中最后2個(gè)函數(shù)是與OS_CPU.H中用宏聲明的控制中斷開關(guān)的函數(shù)匯編語言實(shí)現(xiàn)，其它4個(gè)按順序分別是運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)就緒態(tài)任務(wù)，任務(wù)級(jí)的切換，中斷中任務(wù)切換，系統(tǒng)時(shí)鐘中斷的匯編語言實(shí)現(xiàn)。

2.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)測(cè)試[9]

利用VB和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了綜合調(diào)試，結(jié)果表明：保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常、動(dòng)作可靠、靈敏度高、顯示正確無誤、各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了三級(jí)網(wǎng)絡(luò)整定保護(hù)定值和液晶顯示。保護(hù)定值可以在每臺(tái)智能電力裝置安放的開關(guān)、井下嵌入式監(jiān)控分站和井上調(diào)度室三處隨時(shí)修改，靈活方便。同時(shí)這三處都由不同液晶顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

在測(cè)試中，由于智能終端裝置均帶有中文液晶顯示，顯示器會(huì)循環(huán)顯示各點(diǎn)的電流、電壓、功率值、斷路器狀態(tài)等信息，記錄下這些數(shù)據(jù)，并與嵌入式監(jiān)控分站內(nèi)的顯示屏上的數(shù)據(jù)比較，然后將嵌入式監(jiān)控分站上顯示的某一終端裝置的數(shù)據(jù)與地面計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的該分站傳來的同一裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果嵌入式監(jiān)控分站及地面計(jì)算機(jī)上顯示的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)相符、數(shù)據(jù)一致，這表明嵌入式監(jiān)控分站與終端裝置和地面計(jì)算機(jī)通信正確。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將煤礦供電系統(tǒng)的各終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議打包，并發(fā)送到監(jiān)控調(diào)度中心，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各終端設(shè)備的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控操作，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下電力系統(tǒng)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的新紀(jì)元。

圖5和圖6分別是運(yùn)行在遠(yuǎn)程控制中心的監(jiān)控程序的高爆開關(guān)和饋電開關(guān)實(shí)時(shí)運(yùn)行界面，從中可以看出，所有網(wǎng)絡(luò)上的串口IP都應(yīng)該與服務(wù)器監(jiān)控程序建立了連接，進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。

圖5 高爆開關(guān)實(shí)時(shí)顯示圖

圖6 饋電開關(guān)實(shí)時(shí)顯示圖

監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)所有連接的串口IP進(jìn)行修改和設(shè)定，也可以對(duì)設(shè)備的電力參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)定，如圖7和圖8所示。

圖7 高爆開關(guān)參數(shù)設(shè)定圖

圖8 饋電開關(guān)參數(shù)設(shè)定圖

限于篇幅，其它功能在此就不進(jìn)行一一介紹了。

總結(jié)

本文針對(duì)煤礦井下電力監(jiān)控的特殊性展開研究，提出了一種多級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制的新型煤礦井下電力監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步推動(dòng)了煤礦井下電力監(jiān)控的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。使得地面監(jiān)控調(diào)度中心的管理人員可以直接對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅能直觀地監(jiān)測(cè)和記錄井下電力系統(tǒng)設(shè)備的工作狀況及安全生產(chǎn)情況，而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關(guān)的第一手資料。同時(shí)可以通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井下中央變電所、采區(qū)變電所的集中管理和無人值守，對(duì)于提高供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，促進(jìn)采區(qū)供電系統(tǒng)管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，是現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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Three layer of network monitoring of new coal mine underground power safety monitoring system research

WU Long，WU Yong-xiang，ZHOU Meng-ran

Use embedded monitoring RACES as Repeaters，intelligent power device for on-site equipment real-time data acquisition，micro-processor management on the ground，formed three layer of network monitoring of new coal mine underground power safety monitoring system.This paper introduces the hardware design，and completed the system software design and test，the result shows that the monitoring system operating normally，reliable operation，high sensitivity，display correct，all indexes meet the design requirements，improve the power safety monitoring system coal mine underground real-time data processing ability.

three layer of network monitoring；power safety monitoring system；embedded monitoring RACES；intelligent power device

TD76-39

A

1009-9530（2011）05-0021-04

2011-04-16

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2010B200）

伍龍（1977-），男，湖南永州人，淮南師范學(xué)院電氣信息工程系講師，碩士研究生，研究方向：智能控制、信號(hào)處理、電力電子。吳永祥（1944-），男，安徽淮南人，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師。周孟然（1965-），男，安徽淮南人，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師。