煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造及應(yīng)用*

陳 健

(西山煤電鎮(zhèn)城底礦機(jī)電科外圍隊(duì)，山西 太原 030200)

0 引 言

煤礦綜采、掘進(jìn)工作面各種大型機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)電力系統(tǒng)，電力為煤礦生產(chǎn)的動(dòng)力源泉。變電所作為煤礦的關(guān)鍵分系統(tǒng)，其主要包括有一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。其中，一次系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)工作面、地上電力的傳輸、分配以及電壓的轉(zhuǎn)換任務(wù)；二次系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各用電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)以及狀態(tài)記錄等任務(wù)。實(shí)現(xiàn)變電所二次系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，是提升煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是提高煤礦生產(chǎn)效率的關(guān)鍵[1]。因此，針對(duì)當(dāng)前變電所自動(dòng)化控制水平低且可靠性低的問(wèn)題，筆者著重對(duì)煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并完成其控制邏輯的設(shè)計(jì)，旨在提高變電所控制水平的同時(shí)保證煤礦的高質(zhì)高效生產(chǎn)。

1 工程概況

在實(shí)際生產(chǎn)中，變電所的故障和對(duì)設(shè)備保護(hù)的延遲性導(dǎo)致工作面生產(chǎn)效率低下且安全性低，為此在當(dāng)前煤礦以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，完成煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中主要是煤礦中央變電所和綜采工作面變電所的自動(dòng)化控制。基于所設(shè)計(jì)的變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的接收、監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)以及顯示等功能。具體研究?jī)?nèi)容如下：

(1)在當(dāng)前煤礦信息傳輸平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于以太環(huán)網(wǎng)為核心實(shí)現(xiàn)井上下各類信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

(2)結(jié)合我礦井上、井下所有機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)提出變電所自動(dòng)化改造的思路，在完成變電所自動(dòng)化結(jié)構(gòu)改造的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制需求完成系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。

2 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)

目前，工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的核心技術(shù)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。其中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的信號(hào)傳輸，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)控制信號(hào)和非控制系統(tǒng)進(jìn)行傳輸[2]。盡管，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，對(duì)于煤礦企業(yè)相對(duì)復(fù)雜且惡劣的生產(chǎn)環(huán)境以及高性能、高可靠性、長(zhǎng)距離的控制需求，現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)法滿足實(shí)際控制需求，對(duì)實(shí)現(xiàn)變電所自動(dòng)化控制制造了障礙。

對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)而言，以太網(wǎng)通信技術(shù)應(yīng)用于局域網(wǎng)中。工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵組成包括有應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層。與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有傳輸速率高、運(yùn)行成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。故本文將基于以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

結(jié)合西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況，所設(shè)計(jì)的變電所信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)通信的變電所網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)

如圖1所示，所搭建的變電所網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的傳輸介質(zhì)為光纖，依靠工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)傳輸、交換；而且，地面監(jiān)控中心與井下中央變電所、采取變電所形成環(huán)網(wǎng)控制。變電所網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的核心設(shè)備為以太網(wǎng)交換機(jī)，本平臺(tái)所選用的以太網(wǎng)交換機(jī)的型號(hào)為MS4128，配置的介質(zhì)模塊參數(shù)如表1所列。

表1 MS4128以太網(wǎng)交換機(jī)介質(zhì)模塊數(shù)量 /個(gè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制需求，所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)主干網(wǎng)的傳輸速率為1000Mbps、屬于隔爆型系統(tǒng)，最大傳輸距離可達(dá)到45 km；該信號(hào)傳輸平臺(tái)可在溫度為-10～45 ℃、周圍濕度不大于95%的環(huán)境正常工作[3]。

3 變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及邏輯設(shè)計(jì)

3.1 變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述所設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為中間樞紐作為變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制層，以監(jiān)控中心為核心的信息層以及以現(xiàn)場(chǎng)離散設(shè)備和過(guò)程設(shè)備為核心的設(shè)備層組成整個(gè)煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的整體框架，如圖2所示。變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分層分布、分散集中控制的理念，分為監(jiān)控中心層、網(wǎng)絡(luò)控制層和設(shè)備層，各層的功能描述如下：

圖2 變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)變電所監(jiān)控中心層主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制外，還具備對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄、顯示以及故障報(bào)警等功能。

(2)網(wǎng)絡(luò)控制層為監(jiān)控中心層和設(shè)備層進(jìn)行通信和信號(hào)傳輸?shù)闹虚g樞紐。其中，與監(jiān)控中心層以RS485總線進(jìn)行通信；與設(shè)備層采用以太網(wǎng)環(huán)形傳輸披平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。鑒于煤礦惡劣環(huán)境，避免傳輸信號(hào)被干擾在傳輸線纜上均做屏蔽處理。

(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要為對(duì)工作面機(jī)電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測(cè)控的裝置，其主要任務(wù)是對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量并控制[4]。

3.2 變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的改造

結(jié)合城底礦當(dāng)前變電所控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，為進(jìn)一步提高整個(gè)煤礦電網(wǎng)控制的自動(dòng)化水平和可靠性，做如下改造：在現(xiàn)有變電所和配電室的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺(tái)，為變電所控制系統(tǒng)增加2臺(tái)煤礦電網(wǎng)監(jiān)控機(jī)；在網(wǎng)絡(luò)控制層和設(shè)備層之間增加一臺(tái)通訊管理機(jī)，確保能夠獲取更準(zhǔn)確、更全面的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；在監(jiān)控中心新增一臺(tái)模擬顯示屏，可保證用戶直觀掌握整個(gè)煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)[5]。經(jīng)改造后煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 煤礦變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)的邏輯拓?fù)鋱D

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用效果

對(duì)西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦進(jìn)行自動(dòng)化改造后，可有效解決煤礦供電系統(tǒng)對(duì)設(shè)備控制自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并準(zhǔn)確快速定位供電系統(tǒng)的故障類型，為維修人員維護(hù)設(shè)備提供依據(jù)。試運(yùn)行表明，當(dāng)前供電系統(tǒng)下煤礦各類電氣設(shè)備的故障率明顯降低，約降低33%；折算為設(shè)備的停機(jī)時(shí)間約為400 h，從而為煤礦每年增產(chǎn)約為100萬(wàn)t，按照每噸原煤的利潤(rùn)為28元計(jì)算，經(jīng)對(duì)西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦供電系統(tǒng)改造后可增加直接經(jīng)濟(jì)效益為3 000萬(wàn)元，減少設(shè)備的維修費(fèi)用約為300萬(wàn)元。

5 結(jié) 語(yǔ)

煤礦變電所是工作面高效、安全生產(chǎn)的重要保障，隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加和機(jī)電設(shè)備類型的不斷增加對(duì)變電所控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性提出了更高的要求。為此，基于以太網(wǎng)交換機(jī)為核心設(shè)計(jì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸平臺(tái)，該平臺(tái)具有通信速率快、通信距離長(zhǎng)以及抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)；結(jié)合我煤礦變電所當(dāng)前控制現(xiàn)狀，為其新增電網(wǎng)監(jiān)控機(jī)、通信管理機(jī)以及模擬顯示屏等系統(tǒng)，保證變電所自動(dòng)化控制系統(tǒng)可全面、準(zhǔn)確掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，為用戶直觀掌握運(yùn)行狀態(tài)提供了平臺(tái)。