煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設(shè)計

□ 楊寶林 內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司

煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設(shè)計

□ 楊寶林 內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司

［導(dǎo)讀］本文首先闡述煤礦電力系統(tǒng)的概述，接著分析煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后分析煤礦電力系統(tǒng)的智能控制單元，最后分別從軟件和硬件方面設(shè)計其控制單元系統(tǒng)。

一、前言

近年來，煤炭事故時有發(fā)生，導(dǎo)致煤炭事故的原因各種各樣，其中最為重要的原因之一是電力系統(tǒng)的監(jiān)控故障。煤礦供電系統(tǒng)不但要求供電可靠，供電的質(zhì)量，還要求供電的安全性。若要達(dá)到這些要求就必須有一個準(zhǔn)確可靠的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)。

二、煤礦電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)、傳輸、分配和消費(fèi)的系統(tǒng)。煤礦供電系統(tǒng)屬于電力系統(tǒng)的配電與用電環(huán)節(jié)，一般包括地面變電所、坑下中央變電所、采區(qū)變電所、移動變電站和工作面配電點(diǎn)等。煤礦供電系統(tǒng)主要有供電可靠性要求高，同一電壓等級穿越的供電級數(shù)多，大功率符合相對集中，運(yùn)行環(huán)境惡劣，電纜供電為主，新型電力電子設(shè)備逐漸增多，供電設(shè)備技術(shù)水平參差不齊等特點(diǎn)。由于煤礦生產(chǎn)的特殊性，因此對供電系統(tǒng)更為嚴(yán)格，主要要求供電可靠、安全，保證充足的供電量，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理等。

三、煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元應(yīng)用現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的煤礦電力系統(tǒng)控制設(shè)備實(shí)際使用過程中，仍然會出現(xiàn)一些安全隱患，其中對電力設(shè)備安全影響較為嚴(yán)重的是電力設(shè)備的保護(hù)裝置無法先系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時起到保護(hù)作用，導(dǎo)致系統(tǒng)長時間處于異常狀態(tài)運(yùn)行，引起設(shè)備損壞，礦坑斷電，嚴(yán)重的釀成煤礦事故。對事故原因進(jìn)行分析可以歸納出以下幾個原因：

礦山使用電力設(shè)備受環(huán)境影響明顯由于礦山的特殊環(huán)境，造成電力電氣設(shè)備受到損害，再加上煤礦電力設(shè)備長時間處于高負(fù)荷運(yùn)作狀態(tài)，導(dǎo)致電力設(shè)備故障發(fā)生率提高，造成安全隱患。

系統(tǒng)復(fù)雜導(dǎo)致維護(hù)成本高目前礦山適用的電力系統(tǒng)設(shè)備主要是由模擬電子電路設(shè)備構(gòu)成，布線復(fù)雜，導(dǎo)致電力設(shè)備部署和維護(hù)成本較高，采用定期檢查的方式對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，無法及時發(fā)現(xiàn)老化或者失效的設(shè)備，造成電力系統(tǒng)在保護(hù)不全面的狀態(tài)下運(yùn)行。

四、煤礦電力系統(tǒng)智能控制的分析

生產(chǎn)實(shí)踐表明，已有的煤礦電力系統(tǒng)電力電氣設(shè)備的使用仍然存在著很多的安全隱患，其中最為嚴(yán)重的是電力電氣設(shè)備的保護(hù)功能不能充分發(fā)揮作用，其原因主要有：（1）煤礦環(huán)境特殊，電力電氣設(shè)備受危害的因素多，電力電氣設(shè)備故障多。（2）礦山使用的各種開關(guān)的控制電路和保護(hù)電路廣泛采用電子電路，造成電力電氣設(shè)備故障處理、檢修和維護(hù)的難度增加，使故障不能及時得到檢修處理，造成電力電氣設(shè)備在保護(hù)不完善或沒有保護(hù)的狀態(tài)下運(yùn)行。（3）電力電氣設(shè)備內(nèi)部電子元器件增多也使設(shè)備自身出現(xiàn)故障的機(jī)率增多。（4）電力電氣設(shè)備使用者不按生產(chǎn)廠家的要求操作，把電力電氣設(shè)備的保護(hù)裝置甩掉不用，使設(shè)備在缺少保護(hù)的情況下運(yùn)行，如將饋電開關(guān)中的故障跳閘線圈封死，不讓其跳閘。

五、智能控制單元系統(tǒng)設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

礦山電氣設(shè)備智能控制單元的工作原理是：首先將檢測的電信號分別經(jīng)電壓變送器和電流變送器，變成0-1v的電壓信號，再經(jīng)測量放大器放大成0。5V的電壓信號，送至CPU，由CPU內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器將其變成數(shù)字信號后，CPU隨即進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，計量數(shù)據(jù)經(jīng)過總線緩沖驅(qū)動器顯示在液晶屏上，CPU在對保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷后，通過總線緩沖驅(qū)動器對繼電器直接操作或者發(fā)出閉鎖信號。CPU定期對開關(guān)量輸入狀態(tài)、開關(guān)量工作狀態(tài)及鍵盤、保護(hù)接口進(jìn)行掃描和檢測，完成對保護(hù)對象的狀態(tài)監(jiān)測和人機(jī)交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通過串口電路向調(diào)度中心發(fā)送數(shù)據(jù)或接收指令，復(fù)位電路能使系統(tǒng)自動復(fù)位。由于單片機(jī)具有性能高、速度快、價格低、體積小、穩(wěn)定可靠、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而常常被用在智能監(jiān)控裝置（儀器）控制中。由于智能控制單元必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時及時判斷出故障點(diǎn)并能及時切斷故障電流，在系統(tǒng)正常工作時，控翎單元必須有能力及時處理大量實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)，因此智能控制單元對硬件CPU的實(shí)時性、快速性、準(zhǔn)確性和多功能性要求很高，為此在硬件設(shè)計時選用了實(shí)時性和快速性都非常好的PIC16F877A單片機(jī)作為中央處理器?；趩纹瑱C(jī)PICl6F877A的智能控制單元的硬件總體結(jié)構(gòu)它主要由以下部分組成：（1）由CPU、時鐘電路和復(fù)位電路組成CPU最小工作系統(tǒng)。（2）由電流互感器、電壓互感器、電流變送器、電壓變送器、模擬開關(guān)、放大器以及CPU的A/D轉(zhuǎn)換模塊組成數(shù)據(jù)采集模塊。（3）12路開關(guān)量輸入和3路開關(guān)量輸出組成I/O功能模塊。（4）由4×4鍵盤和液晶顯示組成的人機(jī)對謠陵塊。（5）由漏電閉鎖模塊、通信模塊、聯(lián)控模塊、故障存儲模塊、實(shí)時時鐘模塊以及電源模塊構(gòu)成智能控制單元的功能電路模塊。

（二）軟件設(shè)計

由于該系統(tǒng)是對斷路器的開合進(jìn)行控制并要求對電壓、電流進(jìn)行實(shí)時采樣計量，因此必須對每周波20ms的正弦電流信號進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)選為12個點(diǎn)，那么每2個采樣點(diǎn)之間的時間間隔為1.667ms，利用PICl6F877A的定時器TMR2來進(jìn)行采樣周期定時，每隔1.667ms進(jìn)行一次中斷，中斷由統(tǒng)一的中斷調(diào)度程序進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度，采用軟件工程中的業(yè)務(wù)流結(jié)構(gòu)發(fā)生一次中斷后由調(diào)度程序決定執(zhí)行哪一組任務(wù)，每2個采樣點(diǎn)之間安排一系列的任務(wù)，并且每組任務(wù)在1.667ms內(nèi)都能執(zhí)行一遍，但是由于本軟件系統(tǒng)配備有人機(jī)交互界面，鍵盤顯示程序是所有任務(wù)中最為耗時的程序，它的執(zhí)行必然超過1.667ms，因此在不影響系統(tǒng)的實(shí)時性能的前提下采用關(guān)中斷的結(jié)構(gòu)，在鍵盤顯示執(zhí)行完畢以后開中斷來執(zhí)行下一組任務(wù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這樣的做法是切實(shí)可行的。12個采樣點(diǎn)會有12組任務(wù)，在采樣點(diǎn)內(nèi)的任務(wù)在文中稱內(nèi)部任務(wù)。

每2個采樣點(diǎn)之間都分配有若干個任務(wù)，由于任務(wù)的執(zhí)行時間也長短不一，這樣就必然會在某2個采樣點(diǎn)之間存在空閑的時間未被分配，這一部分的時間可以留作日后軟件升級時使用，這樣使軟件系統(tǒng)還有很大的升級空間。第一組任務(wù)至第十一組任務(wù)的執(zhí)行都嚴(yán)格的控制在1.667m以內(nèi)執(zhí)行完畢，第十二組任務(wù)比較特殊，如前所述鍵盤顯示程序耗時很長，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得顯示一個漢字占1.341ms，顯示一個ASCII碼要占用2.55ms。因此在1.667ms這樣的時間內(nèi)顯示大量的漢字以及ASCII碼是不可能的，如果不關(guān)中斷會導(dǎo)致顯示不正常，因此在不影響實(shí)際需要的實(shí)時性能的前提下，采用關(guān)中斷的方法禁止定時器2的中斷，待顯示完畢后開放中斷，然后繼續(xù)執(zhí)行第一組任務(wù)，雖然關(guān)中斷的方法會影響系統(tǒng)的實(shí)時性能，但是由于這一點(diǎn)的時間損失都在毫秒級，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場的使用情況來看是不影響系統(tǒng)的實(shí)時性能的，因此這種方法是切實(shí)可行的。每一組任務(wù)都是一個功能模塊，該系統(tǒng)包括電流保護(hù)模塊、電壓保護(hù)模塊、絕緣電阻保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)控模塊、通訊模塊、聯(lián)控模塊、時鐘模塊、故障存儲及查詢模塊和鍵盤顯示模塊等，以上各個功能模塊在主程序的統(tǒng)一調(diào)度下完成各自的功能。

六、結(jié)束語

由上文可知，下電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設(shè)計是煤礦工程發(fā)展的核心。在煤礦工程的后續(xù)發(fā)展中，我們要高度重視電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設(shè)計，確保煤礦工程的發(fā)展。

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