基于PSC技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

文/黎望懷 常浩 夏旭 李禹 陳娟（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院）

1.引言

我國安全生產(chǎn)形勢逐年向好，但煤礦安全事故頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢依然存在。2018年6月由工業(yè)和信息化部、應(yīng)急管理部、財(cái)政部、科技部聯(lián)合出臺的《關(guān)于加快安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》的工作目標(biāo)指出：突破一批保障生產(chǎn)安全、城市公共安全的關(guān)鍵核心技術(shù)，研發(fā)一批具有國際先進(jìn)水平的安全與應(yīng)急產(chǎn)品，推廣應(yīng)用一批“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的安全技術(shù)裝備。這一目標(biāo)的提出對煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

煤礦井下的智能化設(shè)備和智能化控制的應(yīng)用程度不斷提升，對于井下的供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)提出更加嚴(yán)格的要求。串口通訊以其成本低的特點(diǎn)，在目前工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用非常廣泛；但隨著煤礦開采難度的提升，通訊數(shù)據(jù)量急劇加大，顯現(xiàn)出其速率低、延遲高的不足；并且不同廠家和型號的保護(hù)器存在兼容性、抗干擾能力差的問題。本文提出的PSC可編程串口控制器，是由廣東羅爾科技有限公司研發(fā)的針對工業(yè)RS-485總線通訊的專門設(shè)備，具有組態(tài)、控制、編程和通訊等多種功能。引入PSC技術(shù)可以有效解決煤井現(xiàn)場不同保護(hù)器通訊協(xié)議的覆蓋性問題，構(gòu)建井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，滿足用戶使用安全穩(wěn)定的需求。[1-3]

2.PSC與現(xiàn)場設(shè)備通訊原理

現(xiàn)場通訊設(shè)備隨著智能化程度的不斷提升和發(fā)展，其控制網(wǎng)絡(luò)也隨之變得更加復(fù)雜。由之前的單機(jī)或者幾臺設(shè)備發(fā)展到成百上千設(shè)備的應(yīng)用，這些設(shè)備的通信給傳統(tǒng)的串口通信帶來的巨大的挑戰(zhàn)，容易導(dǎo)致通訊速率低、通訊時(shí)間延遲長等缺點(diǎn)。[3]傳統(tǒng)的串口通信方式為半雙工應(yīng)用方式，是通過一個(gè)主機(jī)帶多臺從機(jī)的方式進(jìn)行，按照地址順序進(jìn)行應(yīng)答處理等進(jìn)程，采用的是輪詢通訊處理，因此如果設(shè)備儀表較多，會導(dǎo)致通訊速率低的問題。傳統(tǒng)的RS485 通訊模式每個(gè)總線上的分機(jī)都賦予相應(yīng)的地址，計(jì)算機(jī)按照一定的地址順序?qū)Ω鱾€(gè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系。在正式進(jìn)行通訊之前，計(jì)算機(jī)需要對所有的設(shè)備發(fā)送請求幀，分機(jī)接受到請求幀后發(fā)送應(yīng)答幀給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)收到應(yīng)答幀后便可以進(jìn)行相應(yīng)的通訊。在整個(gè)過程中，計(jì)算機(jī)與每個(gè)地址分機(jī)之間的上述通訊需一對一按次序循環(huán)進(jìn)行。因此，如果存在分機(jī)較多的話，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輪詢一次的時(shí)間就會大大增加，導(dǎo)致通訊速率低下，這在實(shí)時(shí)性要求高的的系統(tǒng)中是絕對不允許的。[4]

為了改善通訊速率低的問題，可選擇在計(jì)算機(jī)和分機(jī)之間安裝由一個(gè)主中央處理器模塊和多個(gè)通訊子中央處理器模塊組成的設(shè)備。每個(gè)設(shè)備通訊模塊中都有自己的中央處理器和緩存，可以獨(dú)立進(jìn)行工作，主中央處理器可以通過內(nèi)部的高速總線對子模塊的緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)和分機(jī)之間不進(jìn)行通訊時(shí)，此設(shè)備繼續(xù)和分機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并將相關(guān)的通訊數(shù)據(jù)存儲在其設(shè)備緩存中，在計(jì)算機(jī)發(fā)出通訊命令后，可以通過以太網(wǎng)迅速將數(shù)據(jù)成批發(fā)給計(jì)算機(jī)，從而大大降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間。這就是PSC技術(shù)解決串口通訊延時(shí)高和速率低難題的原理。[5]

3.基于PSC技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)概述

煤礦的供電安全監(jiān)控系統(tǒng)一般分為綜合監(jiān)控信息管理層（地面調(diào)度中心）、信息處理與監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層三層結(jié)構(gòu)。其中現(xiàn)場控制層以髙速智能可編程串口交換機(jī)（控制器）技術(shù)研究為背景，搭建基于PSC技術(shù)的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，可覆蓋現(xiàn)場種類和通訊協(xié)議繁多的綜合保護(hù)器。

PSC 的構(gòu)架核心為ARM處理器，其組成包括5個(gè)模塊：存儲器模塊、電源模塊、狀態(tài)顯示模塊、上位機(jī)通訊模塊、RS-485串口總線接口。其中：存儲器模塊用來存儲由上位編程軟件平臺下載的程序；電源模塊用于為PSC 提供電源支持；狀態(tài)顯示模塊通過LED燈反饋PSC工作狀態(tài)；上位機(jī)通訊模塊用于編程軟件和組態(tài)的軟件，網(wǎng)絡(luò)通訊和串口通訊之間的連接； RS458串口總線接口用于與現(xiàn)場的各個(gè)控制設(shè)備連接，連接上位機(jī)則以通過以太網(wǎng)的方式。

在實(shí)際的供電監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行中，由于來自綜合保護(hù)器的輸出信號不能確定是否為本安信號的情況，因此不能通過對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)確定其本安特性，因此按照煤礦安全的規(guī)章要求在非本安信號和本安設(shè)備之間安裝一個(gè)RS458信號隔離器進(jìn)行信號隔離處理。[6]

基于PSC技術(shù)的供電監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：(1)在地面或者井下任意一個(gè)可以連接到環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的地方實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控控制。(2)采用本安型電力監(jiān)控站，使用防爆兼本安不間斷電源進(jìn)行系統(tǒng)供電，具有掉電保持功能。(3) 地面和井下都可以通過計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視的“五遙”功能。(4)可覆蓋現(xiàn)場種類和通訊協(xié)議繁多的綜合保護(hù)器，實(shí)時(shí)讀取開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，控制開關(guān)分合，調(diào)整開關(guān)整定值。（5）運(yùn)用多線程并行處理技術(shù)，可以高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和命令的執(zhí)行實(shí)時(shí)性。

4.基于PSC 技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

基于PSC 技術(shù)煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合了國家安全監(jiān)管監(jiān)察綜合實(shí)訓(xùn)基地的模擬巷道實(shí)際供電監(jiān)控系統(tǒng)來進(jìn)行，旨在對PSC 技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。該模擬巷道供電監(jiān)控系統(tǒng)包括中央變電所在內(nèi)的多個(gè)變電所，所使用的綜合保護(hù)器的種類比較多，產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間跨度比較大，其中有安華順誠DSP一臺，支持點(diǎn)對點(diǎn)通訊的安華順誠SDZBW6/10.73C、SDZB-W6/10.73C-GZ共2臺。高壓開關(guān)為無錫昌盛生產(chǎn)的PBG 系列礦用隔爆型高壓配電裝置，配置的高壓饋電綜合保護(hù)器均支持RS485 串口通訊。低壓開關(guān)多數(shù)為八達(dá)電氣和浙江恒泰生產(chǎn)，其中配置有八達(dá)電氣ZNBH-Ⅱ和淮南萬泰KB-400 綜合保護(hù)器，均支持RS485通訊。驗(yàn)證操作前對現(xiàn)場應(yīng)用的每種設(shè)備的通訊協(xié)議進(jìn)行了測試和相關(guān)資料的整理，找出所有相關(guān)的通信協(xié)議。PSC作為現(xiàn)場控制器，不依賴于上位計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)，是真正的雙層控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100M，從地面下達(dá)指令到現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行反饋及報(bào)警故障反饋時(shí)間均有大幅度的縮短。通過多次仿真試驗(yàn)和模擬巷道井下現(xiàn)場試驗(yàn)，基于PSC的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了控制要求，有效解決了現(xiàn)場串口總線通訊在中、大規(guī)模應(yīng)用中速率低、延時(shí)長的問題。[7]同時(shí)，由于其通訊協(xié)議兼容性好，現(xiàn)有的多種廠家品牌的綜合保護(hù)器設(shè)備能夠繼續(xù)使用，大大節(jié)省了供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造建設(shè)成本。

5.結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的通訊效率低下問題展開研究，通過PSC技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)供電回路的監(jiān)測監(jiān)控，保證電網(wǎng)的安全供電，實(shí)現(xiàn)安全事故的提前預(yù)警、記錄與故障分析，開關(guān)定值參數(shù)計(jì)算及過程整定，從而快速進(jìn)行故障定位，實(shí)現(xiàn)變電所的無人值守，最終實(shí)現(xiàn)煤礦電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化，確保安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。本文的研究將進(jìn)一步提升煤礦的自動(dòng)化程度，達(dá)到安全生產(chǎn)、減員增效的目標(biāo)，并搭建基于PSC技術(shù)的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤礦供電系統(tǒng)的安全監(jiān)控，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。[8]

通過對PSC 技術(shù)在煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以看出PSC 技術(shù)對于傳統(tǒng)的串口通訊效率改善明顯。本文提出的創(chuàng)新之處主要包括以下三方面：

（1）針對傳統(tǒng)串口通信控制方式的不足，利用高速智能PSC技術(shù)進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)，有效的提高井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性；

（2）改變傳統(tǒng)串口通信過程中的以輪詢?yōu)橹鞯奶幚矸绞剑捎貌⑿刑幚淼姆椒?，提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的效率；

（3）將被控設(shè)備進(jìn)行分批，實(shí)施批量通訊，解決了現(xiàn)場串口總線通訊在中、大規(guī)模應(yīng)用中速率低、延遲時(shí)間長的問題，同時(shí)，還解決了不同通訊協(xié)議設(shè)備的兼容性問題。