煤礦井下供電智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

朱小軍

(西山煤電(集團(tuán))有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

煤礦井下供電系統(tǒng)用于維持井下采掘、運輸、通風(fēng)、排水等重要井下電氣設(shè)備的正常工作，主要由井下變電站、配電設(shè)備和高低壓開關(guān)裝置等組成，其運行可靠性及穩(wěn)定性是井下安全、高效生產(chǎn)的重要保障。受井下復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境及供電設(shè)備移動頻繁等因素影響，井下供電系統(tǒng)經(jīng)常存在負(fù)荷波動劇烈、無計劃停電、越級跳閘及故障難以定位處理等問題，使得高低壓開關(guān)、電纜、局扇等電氣設(shè)備故障頻繁，極易發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸等重大事故。因此通過現(xiàn)代化供電監(jiān)控系統(tǒng)保證井下的可靠供電對于煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-3]。

目前國內(nèi)許多中小型煤礦針對井下供電系統(tǒng)的監(jiān)控及故障預(yù)警診斷仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢方法，不僅耗費大量人力，同時受井下復(fù)雜環(huán)境的影響，人工巡檢通常無法準(zhǔn)確找出故障點及故障原因，不能準(zhǔn)確掌握各井下供電所的實際運行情況，因此需要通過更為智能的監(jiān)控系統(tǒng)對井下供電設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測及全面故障定位報警。由于國內(nèi)針對采煤機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)起步較晚，多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測范圍不夠全面，各模塊間數(shù)據(jù)交互性差。針對上述問題，本文設(shè)計了一套基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)架構(gòu)的煤礦井下智能供電監(jiān)控系統(tǒng)，通過地面控制中心、監(jiān)控分站及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的聯(lián)合測控實現(xiàn)更為全面的井下供電設(shè)備監(jiān)控，從而有效地保證了井下供電系統(tǒng)的可靠運行。

1 供電監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在對井下供電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計前，首先需明確系統(tǒng)的主要功能[4]。本文所設(shè)計的井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標(biāo)首先是實現(xiàn)系統(tǒng)各級數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)交互，使系統(tǒng)具備向上一級傳輸數(shù)據(jù)的能力，其次是實現(xiàn)井下供電設(shè)備的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視等一系列功能，系統(tǒng)具體功能如下：

(1) 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測功能。位于井下變電所的高開綜保測控裝置可以對所內(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集并上傳至監(jiān)控分站，地面監(jiān)控中心可以通過上位機對井下各監(jiān)控分站所采集的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示監(jiān)測和分析處理。

(2) 遠(yuǎn)程控制功能。地面監(jiān)控中心可以通過監(jiān)控主站對井下各供電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如各綜保測控裝置參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定及分合閘遠(yuǎn)程操控，從而實現(xiàn)井下無人值守供電系統(tǒng)的功能。

(3) 故障預(yù)警功能。當(dāng)井下供電設(shè)備發(fā)生故障或超過閾值時，系統(tǒng)可自動進(jìn)行聲光報警并發(fā)送保護(hù)、跳閘等信號，同時系統(tǒng)還可對故障類型、發(fā)生時間等信息通過上位機進(jìn)行顯示，以便分析故障原因。

(4) 數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)支持各類運行數(shù)據(jù)的實時存儲及查詢，并可通過上位機軟件繪制相應(yīng)日負(fù)荷曲線、功率因數(shù)曲線和有功曲線等。

根據(jù)上述對系統(tǒng)功能的分析，本文基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)對整個監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，系統(tǒng)整體可分為井上監(jiān)控層、井下監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

井上監(jiān)控層主要由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)服務(wù)器、UPS不間斷電源和打印機等設(shè)備組成，監(jiān)控主站內(nèi)部集成有井下供電監(jiān)控軟件，可實現(xiàn)對井下供電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測及運行數(shù)據(jù)的分析存儲等功能[5，6]。井下監(jiān)控層主要由井下監(jiān)控分站和光纖交換機組成，其中監(jiān)測分站位于各井下變電所，通過RS-485通信方式采集并處理變電所供電設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)就地監(jiān)控。另一方面監(jiān)控分站還需通過由光纖交換機所組成的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與井上監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，用于井下供電數(shù)據(jù)的實時上傳及監(jiān)控主站控制、報警指令的執(zhí)行。現(xiàn)場設(shè)備層主要由位于高低壓開關(guān)或配電柜內(nèi)的高開綜保測控裝置、傳感器、電能計量表、PLC控制模塊等組成，用于井下各類供電設(shè)備運行參數(shù)的采集與上傳，并執(zhí)行由上一級下達(dá)的相應(yīng)控制、報警及保護(hù)等指令。

圖1 供電監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件方案設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要包括地面調(diào)控中心硬件設(shè)計和井下供電監(jiān)控分站硬件設(shè)計。地面調(diào)控中心是管理整個供電系統(tǒng)及供電設(shè)備的樞紐，其硬件主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、通訊服務(wù)器、監(jiān)控主站和UPS電源等。

地面調(diào)控中心配置有2臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于采集上傳至地面調(diào)控中心的各類運行及測量數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計選擇時，需滿足以下條件：①具備數(shù)據(jù)實時采集功能，可接收各類遙測、遙信等類型的數(shù)據(jù)，并可對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行定時采集；②具備通道控制功能，可對各設(shè)備所占用的通道進(jìn)行開通、關(guān)閉等操作；③具備數(shù)據(jù)處理功能，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)可對各模擬參數(shù)設(shè)置閾值，當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過閾值時即生成報警記錄；④具備數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)服務(wù)器可對用戶的各類操作、報警及通訊事件進(jìn)行記錄和存儲，便于隨時調(diào)用；⑤能夠支持多種通訊通道及通訊協(xié)議。

地面調(diào)控中心配置1臺通訊服務(wù)器，用于監(jiān)控主站、各監(jiān)控分站及數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)互傳、通訊通道監(jiān)視、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式化等操作。本系統(tǒng)的通訊服務(wù)器接口采用以太網(wǎng)接口模式，并采用主-備用雙機運行模式，正常情況下只有服務(wù)器主機處于工作狀態(tài)，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，?dāng)服務(wù)器主機退出運行時，即啟用備用機完成主機工作[7，8]。

井下監(jiān)控分站的作用是實現(xiàn)井下供電系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的實時上傳及監(jiān)控主站控制、報警指令的執(zhí)行，本系統(tǒng)選用KXB-110型井下電網(wǎng)測控分站與井下高開綜保裝置實現(xiàn)通訊，同時完成與地面監(jiān)控主站間的數(shù)據(jù)上傳及指令下達(dá)。KXB-110監(jiān)控分站由通訊管理機、冗余光纖交換機、人機交互界面及UPS組成，其中通訊管理機為DA600型嵌入式通訊計算機，具有8路串口及1路10/100 Mb/s以太網(wǎng)口，可完成與高開綜保裝置的通訊；EDS-510A型光纖交換機具備6口100/1 000BaseT(X)，采用Turbo Chain冗余環(huán)網(wǎng)，自愈時間<20 ms，大大提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性；UPS后備電源可在停電后持續(xù)供電3 h，信號傳輸距離>30 km，完全滿足本系統(tǒng)傳輸及采集需求。

3 軟件方案設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要分為地面監(jiān)控中心軟件及井下監(jiān)控分站軟件兩部分，其中地面監(jiān)控中心軟件主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)三部分。操作系統(tǒng)采用Windows 10專業(yè)版，確保系統(tǒng)具有良好的兼容性及操作性；監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)軟件采用VC6.0開發(fā)環(huán)境，以組態(tài)支撐平臺為中心，包含通訊管理模塊、組態(tài)工具、人機交互界面、參數(shù)庫管理、運行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和報表打印等模塊，可完成監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)測及管理功能；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQL2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理程序流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫管理程序流程圖

井下監(jiān)控分站軟件包括操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)兩部分。操作系統(tǒng)統(tǒng)一采用Windows 10專業(yè)版，可完成各數(shù)據(jù)的收發(fā)、串口及USB通信和中斷操作等功能，相應(yīng)主程序及串口通信流程如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)庫管理軟件仍采用SQL2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并采用Century Star組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計。

圖3 監(jiān)控分站操作系統(tǒng)主程序流程圖

圖4 串口通信程序流程圖

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的不足，基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及現(xiàn)場總線通信技術(shù)設(shè)計了一套監(jiān)測參數(shù)全面、數(shù)據(jù)交互性強、運行穩(wěn)定性高的智能井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)井下供電設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障精準(zhǔn)定位，保證井下供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。