煤礦井下供電監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳耀輝，馬星河

（1．平頂山天安煤業(yè)股份公司十礦，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學，河南 焦作 454000）

隨著現(xiàn)代化礦井自動化、信息化水平的不斷提高，煤礦的供電網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，井下運行環(huán)境更為復雜。由于煤礦井下負荷布局復雜，工作環(huán)境比較惡劣，導致在井下運行工作時存在安全隱患，也經(jīng)常因為這些不穩(wěn)定因素產(chǎn)生停送電時間較長等故障，從而對整個煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重的影響。本文設計的井下供電監(jiān)測系統(tǒng)可解決并優(yōu)化這一問題，實現(xiàn)煤礦井下的安全可靠運行。

目前，井下監(jiān)測系統(tǒng)遠程控制能力差，并且在很多傳統(tǒng)礦井中，依然需要人工定時檢修，效率低下，且不能做到實時監(jiān)測。本文設計的煤礦井下供電監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效提高井下供電的自動化水平，提升煤礦的安全生產(chǎn)水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

作為整個煤礦綜合自動化系統(tǒng)中的一部分，煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)在設計時須兼顧多個方面：第一，確保系統(tǒng)在井下可靠地運行；第二，系統(tǒng)借助網(wǎng)絡通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)信息的傳輸；第三，考慮到后期系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擴展，應預留軟、硬件接口。

在設計系統(tǒng)時充分考慮上述情況，設計出一安全可靠，其先進性和拓展性具備的煤礦井下供配電監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

本系統(tǒng)主要由以下3部分組成：

井下監(jiān)控分站。包含井下監(jiān)控終端設備，負責井下設備的數(shù)據(jù)收集、分析，并將實時數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控主站。

地面監(jiān)控主站。由各服務器組成，任務是對數(shù)據(jù)的處理。對煤礦供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并對井下發(fā)送指令。

通信系統(tǒng)。負責承擔煤礦井下供電監(jiān)測系統(tǒng)中各部分運行狀態(tài)的實時通信的功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。地面監(jiān)控主機通過光纖接入服務器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理與分析。煤礦井下設備的各電控站通常是利用采用485 總線和以太網(wǎng)通信技術(shù)來實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的連接[2]，井下的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過485 總線將井下設備的狀態(tài)參數(shù)傳送到各分站，各個監(jiān)控分站通過屏蔽雙絞線實現(xiàn)與井下各個設備之間的連接，當和硬件之間的連接采用串聯(lián)接線方式時，就會在使用中繼的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號傳輸距離最遠，可長達3000 m，因此可以提升井下工作的運行效率。

圖1 煤礦供電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 井下監(jiān)控分站設計

作為監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某袚?，井下監(jiān)控分站在整個系統(tǒng)中的作業(yè)至關重要。它主要由工業(yè)以太網(wǎng)、供電系統(tǒng)、中繼站、井下監(jiān)控終端等組成，對井下各種數(shù)據(jù)參數(shù)進行監(jiān)測和采集[3]。井下監(jiān)控分站間采用485 總線進行設備間的通信功能，使得整個系統(tǒng)具有良好的抗干擾性，也能高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息分析、計算及判斷，并將其接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控主站。

井下監(jiān)控終端主要任務是起到了連接井下和地面監(jiān)控站之間的數(shù)據(jù)信息傳輸功能，包括井下監(jiān)控站接收的數(shù)據(jù)向地面監(jiān)控站的傳輸，以及地面監(jiān)控站下達的控制指令向井下監(jiān)控站的傳輸。而指導監(jiān)控終端完成任務的部分是由單片機系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)構(gòu)成的。

單片機電路中采用ATmega8 單片機完成整個電路的控制與協(xié)調(diào)任務；ATmega8 單片機是一款新型微控制器，它的速度和穩(wěn)定性都非常好，采用0809完成模擬數(shù)據(jù)的采集；采用MAX706 芯片實現(xiàn)硬件看門狗功能，防止系統(tǒng)死循環(huán)[4]。

煤礦井下監(jiān)控終端系統(tǒng)框圖如圖2 所示，系統(tǒng)中各電路及數(shù)據(jù)傳輸路徑已給出。其中將電壓傳感器、電流傳感器、零序電流傳感器、零序電壓傳感器測得的模擬信號須經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換之后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入單片機，而開關量信號則直接傳輸至單片機。檢測的參數(shù)是電流、電壓值。

圖2 煤礦井下監(jiān)控終端系統(tǒng)框圖

3 地面監(jiān)控主站設計

煤礦地面監(jiān)控主站是由通信服務器、數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)控工作站3部分組成的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 地面監(jiān)控主站結(jié)構(gòu)圖

通信服務器[5]。主要實現(xiàn)對井下監(jiān)控分站傳輸?shù)膶崟r信息接收、轉(zhuǎn)換、通道監(jiān)視等；將地面監(jiān)控總站的指令及數(shù)據(jù)向井下以太網(wǎng)發(fā)送。通常是采用以太網(wǎng)模式來實現(xiàn)與通信服務器的接口連接。

數(shù)據(jù)服務器。用于儲存系統(tǒng)狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)，同時起到了監(jiān)控系統(tǒng)工作站和Web服務器的功能。

監(jiān)控工作站。用于電網(wǎng)運行監(jiān)測、開關控制、報表打印等，通常情況下會連接打印機。

另外，根據(jù)供電系統(tǒng)總體的規(guī)?？梢耘渲貌僮鲉T站、視頻監(jiān)控站等，負責采集并處理煤礦電力系統(tǒng)的監(jiān)控信息。

4 通信系統(tǒng)設計

煤礦供電監(jiān)測系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)主要是由2 部分構(gòu)成的，分別為井下監(jiān)控分站與各終端之間、井下監(jiān)控分站與地面監(jiān)控主站之間的通信。

而因煤礦井下設備分散、設備因生產(chǎn)而向前推進需要經(jīng)常性的移動與替換等環(huán)境方面的限制和影響[6]，本設計充分考慮各方面因素，選用RS-485 作為井下監(jiān)控分站與各終端之間的通信方式。RS-485組網(wǎng)簡單，設備的兼容性良好，符合井下生產(chǎn)環(huán)境。各終端設備與井下監(jiān)控分站通過串聯(lián)的接線方式，在配置中繼站的情況下使用屏蔽雙絞線進行連接，最遠距離可達3000 m，能夠滿足井下設備分布較為分散的情況。

地面監(jiān)控主站與井下監(jiān)控分站之間的通信必須保證實時性和準確性，目前主流工業(yè)以太網(wǎng)就可滿足條件，同時還具備性價比高和通信效率高的優(yōu)點。本設計中采用一種可靠性和實時性俱佳的面向連接的協(xié)議——Modbus-TCP 協(xié)議，它在TCP/IP 網(wǎng)絡上運行時需要協(xié)議轉(zhuǎn)換。流程圖如圖4所示。

圖4 Modbus-TCP在TCP/IP網(wǎng)絡運行協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖

在利用Modbus-TCP 協(xié)議實現(xiàn)通信時，須添加通用TCP/IP父設備在軟件設備管理中，正確設置端口號、本地及遠程IP，并選擇好寄存器類型及地址后，添加要讀取的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)即可。

5 結(jié)束語

本文設計的煤礦井下供電檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)和井下電網(wǎng)的有效融合，負責完成整個煤礦井下電力系統(tǒng)的電能參數(shù)的監(jiān)測。同以往傳統(tǒng)的人工巡視相比，極大地節(jié)省工人工作量，數(shù)據(jù)的采集速度更快、精度和智能化程度更高；針對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種故障的反應和處理更加準確有效，方便工作人員對煤礦井下電網(wǎng)的維護檢修和故障處理。

測試結(jié)果表明，井下供電監(jiān)測系統(tǒng)能夠適應煤礦井下的工作環(huán)境，實現(xiàn)了更好的監(jiān)測功能，能夠完成對井下電網(wǎng)的實時監(jiān)控，降低工作人員勞動強度并縮短故障檢修時間，對煤礦井下安全生產(chǎn)具有重大意義。