關(guān)于煤礦井下供電設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王少鵬

（陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713602）

在計(jì)算機(jī)及通訊手段愈加成熟中，在線監(jiān)控與無(wú)線通信逐漸被運(yùn)用在煤礦行業(yè)中，促使井下監(jiān)控系統(tǒng)合理化更新。實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控井下供電設(shè)備工況、異常信號(hào)采集、遠(yuǎn)程操控等，促使煤礦生產(chǎn)活動(dòng)的可視化與數(shù)字化程度加深，并減輕日常運(yùn)維任務(wù)量。

一、煤礦井下供電設(shè)備原有情況

以某煤礦為例，其供電主要包含地面與井下兩個(gè)部分。一方面，地面供電系統(tǒng)。在井下設(shè)置4 個(gè)雙回路10KV 的電源，引自110/10KV 變電站。110KV變電站雙回路電源，來(lái)源于上級(jí)330/KV 變電站不同母線段，總體的輸電長(zhǎng)度是18KV。從地表的供電設(shè)備來(lái)看，布設(shè)3臺(tái)S3810?X612000/110/650000KVA變壓裝置。其余的地面有關(guān)供電設(shè)備有煤礦提升機(jī)的控制機(jī)房、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電力裝置、風(fēng)井的控制室等。另一方面，地下供電設(shè)施的情況。共有兩臺(tái)MNST?320型的變壓裝置，構(gòu)成中央變電所、盤(pán)區(qū)變電所，任務(wù)是井下各排水系統(tǒng)迎頭工作面低壓線路提供電源。對(duì)于井下供電設(shè)備，首先，過(guò)流保護(hù)表示在被監(jiān)控設(shè)備與線路內(nèi)，電流值大于既定閾值后，系統(tǒng)能直接啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。其次，漏電保護(hù)，在線路和地面構(gòu)成導(dǎo)電回路時(shí)，出現(xiàn)電流經(jīng)過(guò)的情況，對(duì)此現(xiàn)象加以防護(hù)預(yù)警。最后，接地保護(hù)，在供電設(shè)備表面殼體帶電，會(huì)和所接觸的地面建立連接，避免井下工人出現(xiàn)觸電事件。

二、煤礦在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)是基于地面系統(tǒng)自動(dòng)化手段比較成熟的條件下，結(jié)合煤礦井下的作業(yè)環(huán)境，運(yùn)用以太環(huán)網(wǎng)，形成在線監(jiān)控系統(tǒng)，以避免因?yàn)楣╇姡瑤?lái)嚴(yán)重事故。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)監(jiān)控、歷史信息整合等，可達(dá)到無(wú)人值班的狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置井下的通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)控資料的穩(wěn)定傳輸。運(yùn)用先進(jìn)的手段，促使煤礦管理更為自動(dòng)化與現(xiàn)代化。

（二）系統(tǒng)特點(diǎn)

組態(tài)軟件為供電專業(yè)版，滿足供電設(shè)備普遍性管控習(xí)慣，易于使用維護(hù)，而且能結(jié)合煤礦井下實(shí)際情況，進(jìn)行針對(duì)性的功能設(shè)計(jì)。配備Windows操作系統(tǒng)、SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)與B/S/C體系結(jié)構(gòu)，具體較高的靈活度。此外，設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系式歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，展現(xiàn)出顯著的通用與可擴(kuò)展特點(diǎn)。該系統(tǒng)包括地面與井下系統(tǒng)，借助以太網(wǎng)及數(shù)據(jù)庫(kù)完成子系統(tǒng)的連通，實(shí)現(xiàn)信息高速輸送。而且支持開(kāi)放式的信息連接，構(gòu)成有序的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，以免產(chǎn)生“孤島”格局，確保數(shù)據(jù)資料的得以充分應(yīng)用。將嵌入式應(yīng)用該軟件，融入到井下監(jiān)控與通信裝置上，支持現(xiàn)場(chǎng)信息采集與保護(hù)反應(yīng)、通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。針對(duì)低壓漏電，配備分布式的運(yùn)算方式，以規(guī)避井下漏電事故。借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備手段，處理供電設(shè)備故障識(shí)別及定位的問(wèn)題。另外，該系統(tǒng)還能提供優(yōu)異的數(shù)據(jù)發(fā)布及網(wǎng)絡(luò)，電子設(shè)備在接入局域網(wǎng)及Internet網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)賬戶權(quán)限，提供在線監(jiān)控資料[1]。

三、煤礦在線監(jiān)控系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)應(yīng)用

（一）地面監(jiān)控主站

1.系統(tǒng)硬件

主站中硬件包括監(jiān)控工作站、通訊與數(shù)據(jù)的服務(wù)器。結(jié)構(gòu)模式設(shè)置成單機(jī)與網(wǎng)絡(luò)兩種，前者最多配置2臺(tái)能相互備用的PC 機(jī)，能視為后臺(tái)機(jī)，最少配置是單個(gè)后臺(tái)機(jī)。后者則分別配備2臺(tái)相互備用的通信及數(shù)據(jù)服務(wù)器，以及25 個(gè)監(jiān)控工作站。具體來(lái)看，一是通信服務(wù)器，功能任務(wù)是井下分站、監(jiān)控工作站及數(shù)據(jù)服務(wù)器，三者之間的信息交互、通道監(jiān)視等。單機(jī)條件下，兩類服務(wù)器和工作站均部署在同一計(jì)算機(jī)中，而在網(wǎng)絡(luò)條件下，通信服務(wù)器設(shè)置獨(dú)立的PC 機(jī)，并可設(shè)置主備參數(shù)。日常工況下，由主機(jī)完成全部工作，僅有在其停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，由備機(jī)繼續(xù)工作。接口選定以太網(wǎng)。二是數(shù)據(jù)服務(wù)器，主要是保存歷史資料，同樣分成主備機(jī)器，同時(shí)也能負(fù)擔(dān)起監(jiān)控工作站的任務(wù)，兼顧Web服務(wù)器的功能。一般工況中，監(jiān)控信息來(lái)自于主服務(wù)器，在主機(jī)退出工作后，會(huì)有備機(jī)頂替。三是監(jiān)控工作站，其負(fù)責(zé)定值管理、工礦監(jiān)控等，最多能設(shè)置25 臺(tái)。

2.系統(tǒng)軟件

軟件部分包含系統(tǒng)與應(yīng)用兩項(xiàng)。系統(tǒng)軟件有操作及數(shù)據(jù)庫(kù)等，應(yīng)用軟件則涉及到基礎(chǔ)平臺(tái)、通訊單元、組態(tài)工具、在線監(jiān)控單元、Web服務(wù)單元等。操作系統(tǒng)運(yùn)用WindowsXP，安裝過(guò)程中，需先載入IIS。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用軟件方面：基礎(chǔ)平臺(tái)，安設(shè)于服務(wù)器及工作站；通訊單元，安設(shè)在對(duì)應(yīng)服務(wù)器上，負(fù)責(zé)信息轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)據(jù)庫(kù)單元，運(yùn)行于服務(wù)器上，支持系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定；組態(tài)工具，安設(shè)在工作站，支持制作圖形資料；在線監(jiān)控單元，同樣配置在工作站中，負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)監(jiān)控；定值管理，布置在工作站中，支持設(shè)計(jì)及查找、更改系統(tǒng)定值；Web服務(wù)單元，安裝于服務(wù)器，支持信息瀏覽；錄波分析單元，運(yùn)轉(zhuǎn)在工作站中，負(fù)責(zé)錄波處理分析；下載工具，可將錄波資料下載到計(jì)算機(jī)本地中保存使用[2]。

（二）井下測(cè)控分站

井下分站是用于保護(hù)設(shè)備和地面監(jiān)控之間的信息溝通。其具體功能有：保障合理系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換，基于主站發(fā)出的指令，采集各項(xiàng)所需信息，傳給中心站。同時(shí)，按照地上調(diào)度中心的指令，調(diào)節(jié)高保開(kāi)關(guān)，和綜合保護(hù)器一同，完成單線接地選線，以達(dá)到高阻接地等情況的需求。在實(shí)現(xiàn)接地后，同時(shí)數(shù)據(jù)記錄與信號(hào)的方式，輸出接地線路等信息?？杀Ｕ仙舷录?jí)的保護(hù)裝置，時(shí)間相同，主站每個(gè)小時(shí)確定兩次時(shí)間，而分站則間隔一刻鐘和綜合保護(hù)確定時(shí)間。在保護(hù)器的通信斷開(kāi)，會(huì)立即生成事件記錄，不僅會(huì)直接反應(yīng)在設(shè)備本身上，還會(huì)同步送至地面監(jiān)控。配置外掛式的擴(kuò)充單元，支持第三方的供電裝置連接。此外，還能連接帶以太網(wǎng)接口的各類系統(tǒng)，能直接把信號(hào)傳給地面。該系統(tǒng)掉電后，能自動(dòng)保存并傳送必要資料。

分站在接收到主站發(fā)出更改定值的指令，基于固化命令，傳給綜合保護(hù)，后者完成固化后，分站會(huì)生成更改記錄。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的指令運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，與之相似。另外，在綜合保護(hù)形成錄波信息后，分站會(huì)申請(qǐng)獲取，隨即產(chǎn)生三種格式的文件資料，保存在分站內(nèi)。此項(xiàng)儲(chǔ)存功能有一定限制，在文件資料超過(guò)限定數(shù)量后，會(huì)依次刪除最早記錄。分站帶有OPC Server接口，能和整個(gè)礦井的集控平臺(tái)建立連接。此外，井下分站支持遠(yuǎn)程監(jiān)控通信，軟件升級(jí)、信息維護(hù)、下載資料等操作也可通過(guò)遠(yuǎn)程完成。

1.分站特點(diǎn)

其一，擁有工業(yè)級(jí)的微處理器，功耗偏少，運(yùn)行穩(wěn)定性高。其二，通信形式多樣化，支持不同規(guī)約與波特率的環(huán)境。其三，通訊和監(jiān)控均設(shè)置外掛式單元，利于后期功能增添，并利于信息交換，達(dá)到集中監(jiān)控的效果。其三，在掉電之后，備用電源啟動(dòng)，繼續(xù)供電，并能保障在全站停電，把故障數(shù)據(jù)傳遞到地上監(jiān)控系統(tǒng)中。其四，配備以太網(wǎng)的交換機(jī)，直接連接以太網(wǎng)。

2.軟件設(shè)計(jì)

分站軟件功能要求為：增減、運(yùn)維、規(guī)約方便。規(guī)約及功能模塊均是外掛形式，支持遠(yuǎn)程調(diào)整參數(shù)、查看部分信息、使用磁盤(pán)、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)、信息傳輸?shù)?。分站軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)為數(shù)據(jù)和功能。設(shè)置公共數(shù)據(jù)域，不同功能單元基于自身需求，獲取信息資料，通過(guò)基礎(chǔ)運(yùn)算，生成所需功能。

一方面，重要公共數(shù)據(jù)區(qū)。包含的數(shù)據(jù)類型有：一是實(shí)時(shí)信息，如模擬量、電度量以及狀態(tài)量。而其中的狀態(tài)量不僅涉及到終端狀態(tài)數(shù)據(jù)，還有單相接地及通信單元形成的運(yùn)行狀態(tài)資料。二是事件次序記錄信息，包括終端傳輸?shù)氖录涗浺约案鞴δ苣K形成的事件信息。三是故障錄波信息，支持文件傳輸。信息的存儲(chǔ)方式為：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)邏輯設(shè)定的順序，依次保存；事件記錄是根據(jù)獲取及形成的時(shí)間，排列保存；錄波信息是在錄波傳輸結(jié)束后，形成文件保存后，開(kāi)始下一個(gè)。

另一方面，普通公共區(qū)域。設(shè)置六個(gè)分區(qū)，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保存模擬量與信號(hào)量；電度量數(shù)據(jù)，保存整點(diǎn)的電度量信息，用文件保存；事件記錄，屬于循環(huán)數(shù)據(jù)區(qū)；指令交互區(qū)，支持上位機(jī)通信單元和終端通信單元之間，傳輸指令與反饋落實(shí)情況；公共參數(shù)，保存最基礎(chǔ)信息，比如測(cè)控端口的資料等；錄波數(shù)據(jù)，保存一次錄波資料[3]。

（三）微機(jī)保護(hù)器

保護(hù)器設(shè)置，是為避免由于單一回路異常，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生問(wèn)題。借助數(shù)據(jù)次序信息與異常錄波，方便鎖定故障點(diǎn)，以縮短停電時(shí)長(zhǎng)。并配備遠(yuǎn)程遙控操作，提高系統(tǒng)使用的便利性及安全性。

1.硬件設(shè)置

其一，配備標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，達(dá)到模塊化、規(guī)范化的目的。其二，雙CPU格局，裝配高品質(zhì)的處理器保護(hù)CPU，運(yùn)用微處理器，操控系統(tǒng)界面。其三，使用低耗能、快速的A/D轉(zhuǎn)換芯片，每隔一周借助采樣與頻率跟蹤進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)與測(cè)量。其四，存儲(chǔ)器支持保留定值與動(dòng)作記錄，確保系統(tǒng)全部信息及時(shí)面對(duì)掉電情況，也能完整保留。其五，保護(hù)器內(nèi)芯片都實(shí)行表面貼片，并組合四層板制造技術(shù)，使保護(hù)器自身抗干擾性能有所依仗。其六，硬件可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并在識(shí)別到故障后立即反應(yīng)，讓保護(hù)器能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，維護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果。其七，能提供閉鎖合閘，以免出現(xiàn)誤操作。此外，還提供高清的操作界面，使用者能根據(jù)自身工作習(xí)慣，進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，輸出實(shí)時(shí)的設(shè)備工況，方便遠(yuǎn)程巡檢。

該部分系統(tǒng)的硬件原理為：（1）保護(hù)裝置接線。DSPfalse 屬于微處理器，通過(guò)數(shù)字信號(hào)完成信息處理。運(yùn)行原理：在獲得模擬信號(hào)后，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，對(duì)其刪改及強(qiáng)化，解譯成模擬信息及環(huán)境格式。具備可編程的特點(diǎn)，支持實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）E2PROMfalse 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器與時(shí)鐘線路。測(cè)控模塊中，異常報(bào)告及保護(hù)定值等信息需長(zhǎng)期保存，占用空間較少，但對(duì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)較高，絕不可丟失。時(shí)鐘線路就是提供時(shí)間信息，方便事件記錄等模塊運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）CAD總線驅(qū)動(dòng)電路。本自動(dòng)化系統(tǒng)的站內(nèi)通信，配置CAD總線，能實(shí)現(xiàn)分布式操控，擁有較高的開(kāi)放性。借助總線接收器，能保障通訊距離以及瞬時(shí)抗干擾的水平。（4）模擬信號(hào)。交流插件把電壓與電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為滿足測(cè)控設(shè)備輸入標(biāo)準(zhǔn)的形式。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，互感裝置二次側(cè)電流的波動(dòng)區(qū)間偏大，因而設(shè)置傳感裝置中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)：在最低電流條件下，能表現(xiàn)出必要的分辨力。變換器需合理選定二次側(cè)負(fù)載，以免發(fā)生飽和問(wèn)題[4]。

2.軟件設(shè)置

該系統(tǒng)具體的功能模塊需包含：交流采樣，負(fù)責(zé)獲取模擬量，輸給數(shù)據(jù)區(qū)；聯(lián)網(wǎng)通信，和井下分站通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)答；就地通信，和操作系統(tǒng)顯示頁(yè)面交互；交流計(jì)算，通過(guò)計(jì)算分析，得出模擬量的有效值；保護(hù)邏輯模塊，提供保護(hù)功能的分析判斷；開(kāi)入采集，獲取開(kāi)入作業(yè)情況與相應(yīng)動(dòng)作監(jiān)控資料；開(kāi)出動(dòng)作，維護(hù)邏輯出口與分合閘操作；上電自檢，支持硬件自我查看。軟件整體分成主程序與斷開(kāi)服務(wù)程序，前者設(shè)置初始化及自檢、邏輯判斷與跳閘應(yīng)對(duì)單元。后者則分成定時(shí)采樣與串行口通訊兩個(gè)部分。

結(jié)束語(yǔ)：設(shè)置井下在線的監(jiān)控系統(tǒng)，基于某煤礦當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)情況，擬定新的設(shè)計(jì)方案。采用如今比較成熟的以太網(wǎng)，支持各模塊的穩(wěn)定連接，保證數(shù)據(jù)的低延時(shí)傳遞。借此消除井下作業(yè)的部分危險(xiǎn)源，保證煤礦生產(chǎn)安全。