礦井地面供電系統(tǒng)改造設計與應用*

李亞斌

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山發(fā)電廠，山西 方山 033100)

0 引 言

地面供電系統(tǒng)作為整個礦井供電系統(tǒng)的組成部分，其工作的安全性和穩(wěn)定性至關重要，不僅關系煤礦井下工作面能否可靠工作運行，還與井下工作人員的生命安全息息相關[1-3]。某煤炭企業(yè)因地面供電系統(tǒng)使用年限較長，地面供電系統(tǒng)落后，現已不能夠很好的滿足煤礦地面安全生產的要求，存在明顯的老化現象，大大降低了地面供電系統(tǒng)運行的可靠性，急需進行改進設計?？刂葡到y(tǒng)作為礦井地面供電系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的運行的穩(wěn)定性極為關鍵，是井下供電系統(tǒng)正常供電的控制中心，只有保證其技術的先進性才能確保煤礦井下煤炭掘進設備的安全穩(wěn)定及煤炭的產能和效率[4]。在線監(jiān)測系統(tǒng)作為近年來發(fā)展起來的先進控制技術，廣泛應用于各個領域，現已取得了很好的應用效果，尤其在服役環(huán)境極為苛刻場景中工作的監(jiān)測系統(tǒng)，更加凸顯出在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。相關研究表明[5]，礦井地面供電系統(tǒng)引入較為先進的在線監(jiān)測系統(tǒng)之后，不僅能夠提供地面供電系統(tǒng)的工作可靠性，還能降低地面供電系統(tǒng)的運行維護成本，為煤炭企業(yè)創(chuàng)造更多的經濟效益。因此，針對某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現狀，筆者以其控制系統(tǒng)為研究對象，重點通過地面供電系統(tǒng)的改造設計工作，達到提高地面供電系統(tǒng)可靠性的目的，對提高煤炭生產產量和效率具有重要意義。

1 改造要求

地面供電控制系統(tǒng)改造設計需要適應當前控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，并用計算機技術和網絡通信技術，使地面供電控制系統(tǒng)實現以下功能：①實時監(jiān)測地面供電系統(tǒng)中各類開關、變壓器、供電線路等的運行狀態(tài)；②實現地面供電系統(tǒng)中各類開關、電氣控制元件等的遠程控制，方便地面供電系統(tǒng)的集中控制；③實現地面供電系統(tǒng)運行數據的實時存儲，為系統(tǒng)運行維護人員進行故障排查提供重要系統(tǒng)運行數據；第四是控制系統(tǒng)需要具有很好的可擴展性，使地面供電系統(tǒng)覆蓋面積可增可減。

2 方案設計

煤礦地面供電系統(tǒng)較為復雜，電路電纜布置不規(guī)律，各個電路的功能差異較大。眾所周知，復雜的電路系統(tǒng)控制過程中產生的電路反饋信息會很多，因此控制系統(tǒng)的數據庫搭建工作較為關鍵，需能夠對采集得到的數據進行分類處理。地面供電系統(tǒng)原有的開關控制功能多以繼電器實現，具有明顯不足，為了提高地面供電系統(tǒng)的工作可靠性，將繼電器控制改進為PLC控制，由計算機編程實現地面供電系統(tǒng)弱點控制強電的目的，實現便捷的開關控制功能。如圖1所示，結合某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)的實際情況，完成了控制系統(tǒng)的方案設計，包括軟件系統(tǒng)結構、輸入輸出驅動、綜合接入網關、環(huán)網交換機等部分。

圖1 地面供電控制系統(tǒng)方案

3 硬件設計

改造之后的地面供電控制系統(tǒng)所涉及的硬件主要包括PLC控制器、綜合接入網關和環(huán)網交換機，它們是保障地面供電控制系統(tǒng)功能可靠實現的基礎，具體的選型與配置參數如下。

3.1 PLC控制器

地面供電控制系統(tǒng)改造用PLC控制器取代原有的繼電器，實現了計算機編程控制地面供電控制系統(tǒng)的目的。PLC控制器作為地面供電控制系統(tǒng)的核心器件，其工作的可靠性極為關鍵，結合地面供電控制系統(tǒng)實際情況，選擇了西門子生產的S7-200系列CPU226的 PLC。PLC控制器中配置中央處理器、數據存儲器和信息通信等模塊，具備較強的數據采集、分析、處理和存儲的能力，能夠根據地面供電系統(tǒng)的實際情況采集得到可靠的監(jiān)控數據，之后進行邏輯分析，實時顯示在控制系統(tǒng)監(jiān)控界面當中供監(jiān)控人員觀察掌握地面供電系統(tǒng)的實際運行情況。中央處理器主要負責采集數據的運算處理；數據存儲器主要負責實時存儲地面供電系統(tǒng)運行數據，由ROM和RAM兩部分構成；通信系統(tǒng)主要負責實時數據信息的傳輸，遠程控制指令的發(fā)送等。S7-200系列CPU226的 PLC結構組成如圖2所示。

圖2 PLC結構組成

3.2 綜合接入網關

改造地面供電系統(tǒng)中的綜合接入網關主要負責完成地面供電系統(tǒng)中各個分支電路及開關等電氣控制元件監(jiān)測數據的集中采集，匯總之后通過光纖將其傳輸至集中控制平臺進行顯示[7]。綜合接入網關的內核控制器型號為ARM9，自身操作系統(tǒng)采用的VxWORKS系統(tǒng)，通信過程使用了CAN總線，具有可靠的數據采集匯總與數據信息傳輸性能，具備跨平臺、跨總線的數據傳遞功能。

3.3 環(huán)網交換機

環(huán)網交換機作為煤礦地面供電控制系統(tǒng)中極為重要的元器件，應用于地面供電控制系統(tǒng)當中具有重要作用，具有輸電局域廣的特點。環(huán)網交換機現場安裝過程清晰、操作流程簡易、使用維護方便快捷，以此同時，遇到危險情況可以自動發(fā)出感應報警信號，因此，將其接入地面供電控制系統(tǒng)能夠很好的實現地面供電系統(tǒng)的監(jiān)測與自動控制動作。地面控制系統(tǒng)環(huán)網交換機工作原理如圖3所示，連接著地面供電系統(tǒng)監(jiān)控中心及各個分站控制點，實現整個供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測與遠程控制功能。

圖3 環(huán)網交換機工作原理

3.4 信號處理模塊

監(jiān)測系統(tǒng)信號處理模塊用于接收來自各種傳感器實時采集的狀態(tài)信號，經過處理完成模擬量到數字量的轉換，獲得便于傳輸和存儲的數字量信號。監(jiān)控系統(tǒng)選擇與CAN總線配套的iCAN3800作為信號處理器，可在5～1000 kbps的波特率條件下實現與CAN總線的通訊。iCAN3800模塊工作時，自身的8路模擬量輸入通道可以并行運行，獨立進行信號處理任務，具備每秒輪詢數據500次的能力，能夠確保數據傳輸和通信的實時性和可靠性。i CAN3800信號處理模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 iCAN3800信號處理模塊工作原理

4 軟件設計

地面供電系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計涉及組態(tài)數據庫、事件庫、優(yōu)先級庫、歷史數據庫、實時顯示數據庫等5部分，具體設計功能如下。

4.1 組態(tài)數據庫

組態(tài)數據庫的主要任務是梳理特殊命令數據、反饋信息、數據屬性等，同時還能夠梳理與時間相關的動態(tài)數據信息。系統(tǒng)設計時搭建組態(tài)數據庫時，采集得到的數據處理之后生成組態(tài)信息數據并存儲。

4.2 事件庫

地面供電系統(tǒng)運行時突發(fā)的各種事件均會由事件庫進行分析處理并存儲，以便為供電系統(tǒng)運行和維護人員提高事件發(fā)生過程的數據進行參考，提高故障事件的排查效率。系統(tǒng)事件庫工作時能夠及時反饋數據、分析調用數據、快速控制供電系統(tǒng)元器件等，當供電系統(tǒng)發(fā)生故障或者突然報警時能夠快速開展故障排查與處理。

4.3 優(yōu)先級數據庫

地面供電控制系統(tǒng)中的優(yōu)先級數據庫運行過程中可以直接調用實時顯示數據庫中的信息，進行分類存儲，確定相關數據的優(yōu)先級。優(yōu)先級數據庫與時間相關，設計優(yōu)先級數據庫時將其內部時間與計算機時間同步，保證了采集得到數據的先后，很好的完成優(yōu)先級的劃分。

4.4 歷史數據庫

歷史數據庫搭建的任務是完成過去一定時間內數據的記憶存儲，為供電系統(tǒng)運行維護提供數據參考，達到需要相關數據時能隨時調用，供相關人員進行數據分析。歷史數據庫的建設減小了數據接口及緩存器的重擔，其設計過程中使用了數據緩存技術的應用，緩存空間大小的設置依據計算機內存和硬盤空間確定，確保歷史數據庫具有足夠的數據存儲量。

4.5 實時顯示數據庫

實時顯示數據庫作為地面供電系統(tǒng)中負責數據交換的部分，對其進行了數據訪問接口進行了優(yōu)化，實現了數據的實時獲取的目的。與此同時，為了確保調用的數據能夠實時獲取，對其進行了索引算法的改進，實現了數據實時顯示的目的。

4.6 輸入輸出驅動

地面供電控制系統(tǒng)中的輸入輸出驅動接口主要實現監(jiān)測數據與PLC控制器之間的數據傳輸，確保數據傳輸的實時性，實現數據實時分析處理與存儲，同時也具備控制指令的發(fā)送等功能。

5 應用效果評價

基于某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)存在的安全可靠性能較低的情況，完成了地面供電控制系統(tǒng)的改造設計工作，將其應用于煤礦地面供電系統(tǒng)中進行試運行，結果表明，系統(tǒng)運行較穩(wěn)定，提高了企業(yè)地面供電系統(tǒng)的可靠性。統(tǒng)計結果顯示，地面供電系統(tǒng)故障率降低了近15%，故障排查時間減少約12%，節(jié)約了系統(tǒng)運行維護人員2～3名，降低了煤炭企業(yè)的生產成本，預計為煤炭企業(yè)新增經濟效益近100萬/年，取得了很好的應用效果。保證了煤礦井下作業(yè)環(huán)境的安全。