現(xiàn)場(chǎng)總線下煤礦供電自動(dòng)化系統(tǒng)分析

摘 要：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步， 煤礦的信息化和自動(dòng)化水平得以大幅度提高。煤礦供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)就是自動(dòng)化， 其不斷的升級(jí)和完善可以使相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)故障，大幅減少無(wú)計(jì)劃停電次數(shù)，也使煤礦安全生產(chǎn)得到了保障，因此現(xiàn)今煤礦企業(yè)大多采用現(xiàn)場(chǎng)總線的供電系統(tǒng)。文章簡(jiǎn)單介紹了煤礦實(shí)行供電自動(dòng)化的必然性，簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)下的供電系統(tǒng)構(gòu)成作了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；煤礦供電；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：X752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）9-0079-01

煤礦的供電系統(tǒng)幾經(jīng)發(fā)展變革，但現(xiàn)在較多采用的是在現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上的Profibus網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、智能測(cè)控設(shè)備和工業(yè)控制下的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的煤礦供電自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)向煤礦供電是自動(dòng)化的，沒有人值班，由機(jī)器和設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)管理和控制，可以較少值班以及維護(hù)人員的使用量，這使得系統(tǒng)的供電效率大幅提高，也減小了人員對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)量，使供電更加安全、穩(wěn)定和可靠。

煤礦供電監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦供電系統(tǒng)的重要組成部分之一，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備都是分散獨(dú)立的，基本上采用傳統(tǒng)繼保裝置。這些設(shè)備有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，維護(hù)量大，故障記錄不準(zhǔn)確，監(jiān)控的參數(shù)不全，可靠性不高。另外，由于缺乏遙控手段，也不能自我診斷故障，因此無(wú)法對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的供電情況進(jìn)行配置，也不能對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)控，更加難以集中管理，對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行形成了潛在的威脅。

1 必要性

在煤礦經(jīng)常發(fā)生瓦斯積聚和采掘工作面瓦斯超限的事故，而其主要原因是有時(shí)會(huì)發(fā)生無(wú)故的停電、開關(guān)的損壞、局扇的損壞、電纜發(fā)生故障以及供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這些都會(huì)造成局部的停電；煤礦現(xiàn)有的供電設(shè)備很落后，沒有及時(shí)更換，所以會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)故跳電，但是有些故障較隱蔽又難以發(fā)現(xiàn)，再加上停電送電不及時(shí)，這些都會(huì)使瓦斯超過(guò)其限度，隨時(shí)可能誘發(fā)惡性事故。煤礦井下供電系統(tǒng)較為落后，所有的元件都是單個(gè)的，并沒有形成一個(gè)系統(tǒng)，比較先進(jìn)的系統(tǒng)還只是停留在開關(guān)單一元件的微機(jī)保護(hù)。煤礦供配電系統(tǒng)不同于其他的供電系統(tǒng)，三大供電區(qū)域是環(huán)環(huán)相扣的，要使整個(gè)供電系統(tǒng)能夠正常工作，三大環(huán)節(jié)必須同時(shí)可靠、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。因此，煤礦供電自動(dòng)化系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容是供電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；井下電網(wǎng)在保護(hù)控制和事故預(yù)警等方面的技術(shù)還相當(dāng)落后。高開保護(hù)器不精確，功能沒有多樣化，實(shí)現(xiàn)上下級(jí)變電所保護(hù)配合困難。煤礦井下在電力保護(hù)方面，普遍存在由于電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致大面積停電、越級(jí)跳閘、不能實(shí)現(xiàn)有效的漏電保護(hù)、保護(hù)機(jī)制拒絕或誤啟動(dòng)、故障無(wú)法迅速定位等現(xiàn)象，只能靠二次故障進(jìn)行故障定位；在傳統(tǒng)供電系統(tǒng)下存在井下電工違章帶電作業(yè)，在作業(yè)過(guò)程中很可能產(chǎn)生電火花，而電火花一旦產(chǎn)生，就會(huì)點(diǎn)燃煤礦瓦斯，造成重大事故。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)引起了控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。未來(lái)的控制系統(tǒng)的控制或者調(diào)節(jié)功能將移向現(xiàn)場(chǎng)，F(xiàn)CS（現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)）將會(huì)取代傳統(tǒng)的DCS，所以控制系統(tǒng)將是徹底分散的?，F(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)展緩慢且有一定困難，原因在于近多年來(lái)，許多公司都爭(zhēng)相提出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線，不過(guò)這也使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)也使情況特殊的煤礦井下選用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)時(shí)有較大余地，可以在眾多的現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)中選取最適合煤礦使用的標(biāo)準(zhǔn)。煤礦供電運(yùn)用開放的標(biāo)準(zhǔn)，使用智能化的和自動(dòng)化的設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

應(yīng)采用的標(biāo)準(zhǔn)是，總線不一定直接供電，供電總線與本安特性應(yīng)支持本安或在經(jīng)簡(jiǎn)單的改進(jìn)后能支持本安；井下網(wǎng)絡(luò)最好設(shè)置為以兩級(jí)即一級(jí)主干網(wǎng)下接一級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線。主干網(wǎng)采用同軸電纜或光纖作為傳輸中介，應(yīng)該具備同時(shí)輸送多條媒體信息的能力，總線的傳輸距離能達(dá)10km以上才能滿足規(guī)模較小的礦井省去主干網(wǎng)而僅用一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線；礦井的溫度和濕度都比較高，很容易受電磁干擾，現(xiàn)場(chǎng)總線距離較長(zhǎng)，同時(shí)收發(fā)器上的共模電壓可能較高，所以其設(shè)備應(yīng)具有抗干擾能力和適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力；應(yīng)有開發(fā)工具，開發(fā)容易，還要有完善的硬軟件支持， 在我國(guó)市場(chǎng)上易于獲得。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能

為了更準(zhǔn)確高效地控制各個(gè)供電系統(tǒng)和設(shè)施，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：實(shí)時(shí)顯示本地和遠(yuǎn)方的檢測(cè)信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)局部發(fā)生細(xì)小的故障或錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)仍可以有條不紊地運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，要同時(shí)在本地和遠(yuǎn)地進(jìn)行報(bào)警；系統(tǒng)要自動(dòng)記錄故障發(fā)生時(shí)間和內(nèi)容以便日后的系統(tǒng)維護(hù)。

3.2 系統(tǒng)主站設(shè)計(jì)

主站主要由2臺(tái)工控機(jī)、西門子CP5611網(wǎng)卡、UPS電源等組成，其中一臺(tái)工控機(jī)是備用計(jì)算機(jī)，另一臺(tái)為工作機(jī)。在出現(xiàn)故障時(shí)，為了證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行需要立即啟用備用計(jì)算機(jī)。

主站選用Windows 2000 Server操作系統(tǒng)。監(jiān)控軟件使用iFix組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，用圖片和動(dòng)畫形式形象地顯示整個(gè)供電系統(tǒng)的工況。監(jiān)控軟件和硬件設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信采用用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接和嵌入OPC技術(shù)。不同供應(yīng)廠商的應(yīng)用程序和設(shè)備之間的接口是不同的，曾造成了一定的技術(shù)難題，OPC技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了不同接口的標(biāo)準(zhǔn)化，使其相互間更容易地?cái)?shù)據(jù)交換。它對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開發(fā)任務(wù)進(jìn)行訪問(wèn)，繼而以標(biāo)準(zhǔn)接口的形式放到設(shè)備生產(chǎn)廠家或第三方，并將該接口以服務(wù)器形式透明地提供給工控軟件開發(fā)人員，而這些人員曾經(jīng)忙于開發(fā)底層的通信模塊，現(xiàn)在就只需要專注地開發(fā)工控軟件的功能，得到了解放。

3.3 系統(tǒng)分站設(shè)計(jì)

分站硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)分站由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換器、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器、和一些其他相關(guān)設(shè)備組成。它主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷地采集，并處理數(shù)據(jù)格式使之適合網(wǎng)絡(luò)傳輸，再通過(guò)Profibus DP網(wǎng)絡(luò)傳遞給系統(tǒng)主站。在接到主站控制命令的時(shí)候，再自動(dòng)控制指揮相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和控制。為保證系統(tǒng)分站的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定和更加安全，由嵌入式計(jì)算機(jī)和觸摸顯示屏組成分站，因?yàn)槊旱V生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境十分惡劣，普通工控機(jī)根本無(wú)法可靠運(yùn)行。嵌入式計(jì)算機(jī)使用具有防震防潮結(jié)構(gòu)的低功耗芯片和電子硬盤，因此不管煤礦惡劣的生產(chǎn)環(huán)境有多么惡劣，它都能夠正常運(yùn)行。觸摸顯示屏的顯示信號(hào)從嵌入式計(jì)算機(jī)的VGA口輸入，控制信號(hào)由COM3口輸出。程序與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元循環(huán)地交換數(shù)據(jù)是通過(guò)COM2口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)是通過(guò)ABC網(wǎng)關(guān)與COM1口。

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的煤礦供電系統(tǒng)已經(jīng)存在過(guò)于陳舊等問(wèn)題，并且造成了瓦斯爆炸等許多安全事故的發(fā)生，因此亟需對(duì)煤礦的供電系統(tǒng)進(jìn)行革新，由此煤礦供電系的自動(dòng)化伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)的大力普及進(jìn)入了人們的視野，而在現(xiàn)場(chǎng)總線下的煤礦供電系統(tǒng)由于比較智能，可以減輕供電系統(tǒng)的管理負(fù)擔(dān)，使煤炭供電更為安全和可靠，也節(jié)省了很多的人力，最重要的是它使得供電的成本大幅地降低了，隨著基于現(xiàn)場(chǎng)總線的煤炭自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)大力普及，可以為廣大煤礦提供更多的便利。

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