基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

田曉波

（山西潞安郭莊煤業(yè)， 山西 長治 046100）

引言

煤炭資源是人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支柱性能源資源，隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭資源的開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，發(fā)生透水事故的概率也越來越大，因此井下排水系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)安全。雖然井下排水自動化控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛，但對大多數(shù)采齡較長的煤礦來說，其井下排水設(shè)備及控制線路最初布置時缺乏規(guī)劃，各排水系統(tǒng)布置分散，井下積水區(qū)域的水位變化情況和各排水裝置的運行情況完全依賴于人工操作控制，工人勞動強(qiáng)度大，由于煤礦井下的工作條件惡劣，各電纜設(shè)備布置復(fù)雜，無法對現(xiàn)有科技條件下的煤礦井下自動排水系統(tǒng)進(jìn)行改造[1]，因此迫切需要研究一種能夠利用現(xiàn)有井下的電纜和通訊系統(tǒng)，以較小的改造代價來實現(xiàn)對煤礦井下各獨立、落后的排水裝置進(jìn)行自動化和信息化改造，提高其自動化程度和工作時的可靠性。

1 基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)

基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)將電力載波控制模塊設(shè)置在排水系統(tǒng)控制單元的電控箱內(nèi)，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口與各通訊單元和監(jiān)控分站及局域控制網(wǎng)絡(luò)相連接，監(jiān)控分站監(jiān)測各積水區(qū)域的水位水情狀況，利用電力載波系統(tǒng)和局域控制網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)絡(luò)無差別控制，若在巷道內(nèi)沒有設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)則可將現(xiàn)有的電壓供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為載波通信組網(wǎng)系統(tǒng)，把其中的主供電線路利用電力載波和轉(zhuǎn)換器設(shè)置為該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制主站點，在此處完成對本區(qū)域的水位水情和排水設(shè)備運行情況參數(shù)的整合[2]，然后利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)將其傳送到地面控制中心，實現(xiàn)對井下各排水設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

圖1 基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該系統(tǒng)中需實現(xiàn)對各積水區(qū)域排水控制系統(tǒng)之間水位水情的互聯(lián)互通，通過電力載波或者工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對任意網(wǎng)點水情數(shù)據(jù)的監(jiān)測，同時還需要建立地面控制中心和煤礦井下水情監(jiān)控、設(shè)備運行控制系統(tǒng)之間的雙向通訊。

2 煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

電力載波通訊是電力傳輸系統(tǒng)所特有的一種通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有的電力電纜線，利用載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，其最大的優(yōu)點是不需要重新布設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只需利用現(xiàn)有的電流傳輸系統(tǒng)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的通訊和傳輸。

電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊[3]結(jié)構(gòu)原理如下頁圖2所示，各監(jiān)控單元監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)射端的串口發(fā)送到電力載波控制芯片，芯片接收到數(shù)據(jù)信息后首先對其進(jìn)行PSK相移鍵控的解調(diào)和偽隨機(jī)碼的擴(kuò)頻解調(diào)，然后由芯片的數(shù)據(jù)輸出端口將解調(diào)后的電力載波信息傳遞到外電路的濾波器處進(jìn)行信號濾波處理并對信號進(jìn)行功率加強(qiáng)處理，最后由電力耦合電路把增強(qiáng)信息的電流載波信息耦合處理后發(fā)送到電力載波信息傳輸通道內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。在該電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊模塊的數(shù)據(jù)信息接收端口，首先對接收到的控制中心傳輸?shù)目刂菩盘栠M(jìn)行解耦處理，然后利用濾波處理電路對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅、降噪和調(diào)制處理，將其還原為原始的控制信號，最后經(jīng)過串口通信端的數(shù)據(jù)輸出完成整個控制信息的傳輸任務(wù)。在該電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊單元中，其創(chuàng)造性地把電力載波的通信及調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行了集成，在實際工作時只需要將事先處理后的控制程序輸入內(nèi)部儲存中心即可完成既定的控制通信，具有極大的操作彈性和靈活性，能夠滿足水情監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信等，并且能夠滿足對后期排水設(shè)備升級改造的數(shù)據(jù)通信需求。

圖2 電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊結(jié)構(gòu)原理圖

3 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的試驗驗證

煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測試原理如圖3所示[4]，該測試的原理是利用示波器對各個電力載波控制單元不同點的數(shù)據(jù)傳輸情況進(jìn)行測試，判斷數(shù)據(jù)信息在電力載波系統(tǒng)中傳輸?shù)募皶r性和穩(wěn)定性。

圖3 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測試原理圖

煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場測試如圖4所示。

圖4 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測試現(xiàn)場圖

由圖4可知，以計算機(jī)作為主控單元并設(shè)置一臺模擬自動排水監(jiān)控分站，通過利用計算機(jī)電源線發(fā)送電力載波通訊信號，要求監(jiān)控分站返回水位監(jiān)測，在電力載波傳輸過程中其數(shù)據(jù)幀串口通過通信模式進(jìn)行發(fā)送，電源通信線路由系統(tǒng)自帶的電源轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，在模擬排水監(jiān)控分站將模擬水情信號利用相同的載波通信模式返回給主站，計算機(jī)接收到返回的模擬信號后將數(shù)據(jù)在界面上進(jìn)行顯示，完成模擬實驗，其測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 計算機(jī)接收到的模擬信號視圖

由圖5可知，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收過程中保持了較高的穩(wěn)定性和連續(xù)性，能夠較好地滿足監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與控制任務(wù)。

4 結(jié)語

煤礦井下排水系統(tǒng)作為確保煤礦安全生產(chǎn)的核心，對確保煤礦井下的安全生產(chǎn)起著十分重要的作用。由于井下環(huán)境惡劣，各種管線排布錯綜復(fù)雜，很難通過更換全新的監(jiān)測、通信、控制系統(tǒng)來完成井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造，所以提出了一種基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直接采用煤礦井下現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)的通訊線路，同時通過現(xiàn)場總線將各監(jiān)控分站的排水設(shè)備進(jìn)行連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互通。該系統(tǒng)的應(yīng)用以最小的代價實現(xiàn)了對煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造，極大提升了煤礦井下排水控制系統(tǒng)的自動化程度和安全性。