礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

樊 軍，周玖璘

(烏海市公烏素煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

煤礦開采中離不開電力能源的支持，很多機(jī)電設(shè)備都需要電力能源才能夠正常運(yùn)行，照明、排水、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)榷夹枰娏δ茉醋鳛榛A(chǔ)[1]。礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是保障煤礦生產(chǎn)過程持續(xù)進(jìn)行、確保井下人員安全的關(guān)鍵。礦井供電是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包含有很多硬件設(shè)施，比如主配電站、移動(dòng)變電站、開關(guān)設(shè)備等，而煤礦的工作環(huán)境相對比較復(fù)雜，供電系統(tǒng)容易受到外部因素影響出現(xiàn)故障問題[2]。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)井下供電系統(tǒng)特別容易出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障問題，雖然電路中會(huì)設(shè)置短路保護(hù)和漏電保護(hù)等防護(hù)措施[3]。但如果礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，輕則影響煤礦開采效率的提升，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)設(shè)備甚至人員傷亡事故[4]。針對以上問題，有必要結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)智能供電監(jiān)控系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對礦井供電過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握礦井供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的故障隱患，或者出現(xiàn)問題后能及時(shí)定位故障問題，縮短故障排除時(shí)間[5]。本文主要介紹了礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，以及系統(tǒng)在煤礦工程實(shí)踐中的應(yīng)用情況，對于提升礦井安全具有一定的實(shí)踐意義。

1 整體方案設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)掌握礦井供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保礦井供電安全，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由3大部分構(gòu)成，分別為井下監(jiān)控單元、地面集控中心、地面與井下之間的通信網(wǎng)絡(luò)。礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Main functional structure of monitoring system

1.1 井下監(jiān)控單元

井下監(jiān)控單元的主要作用是對礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，需要采集的數(shù)據(jù)信息包括保護(hù)裝置狀態(tài)、電壓、電流、功率、開關(guān)動(dòng)作參數(shù)等[6]。通過數(shù)據(jù)運(yùn)算判斷供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，是否存在故障問題或安全隱患，將采集獲得結(jié)果在顯示屏上進(jìn)行顯示，以便井下工作人員能及時(shí)查看。設(shè)置有報(bào)警電路，如果出現(xiàn)故障問題，利用報(bào)警電路可以向外發(fā)出警報(bào)。考慮到井下監(jiān)控單元涉及多個(gè)硬件設(shè)置，相互之間會(huì)有通信接口，比如CAN、RS-485通信接口等，為了確保通信過程的可靠性和穩(wěn)定性，需要使用帶隔離的抗干擾的通信接口。井下監(jiān)控單元需要將采取獲得的信息上傳至地面集控中心，同時(shí)要接受并執(zhí)行集控中心下達(dá)的指令。

1.2 地面與井下的通信網(wǎng)絡(luò)

井下監(jiān)控單元采集獲得的數(shù)據(jù)信息，需通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婕刂行?，考慮到井下和地面之間的距離較遠(yuǎn)，利用工業(yè)以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸。井下各個(gè)監(jiān)控單元之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)傳輸[7]。所有的通信網(wǎng)絡(luò)都設(shè)置了帶隔離的抗干擾的電路，以保障數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性和可靠性。這樣能夠保證地面集控中心的上位機(jī)能夠安全地與井下各個(gè)監(jiān)控單元進(jìn)行連接。

1.3 地面集控中心

地面集控中心的作用是對井下各個(gè)監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集與整合，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)具體情況下達(dá)監(jiān)控指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。可對整個(gè)智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，基于收集的參數(shù)判斷故障問題位置。

2 井下監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

2.1 主控制器選型及外圍電路設(shè)計(jì)

(1)主控制器選型。監(jiān)控系統(tǒng)中選用的控制器型號為STM32，控制器基于CORTEX-M3內(nèi)核研制，屬于32位處理器，具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算性能[8]。正常工作時(shí)最高頻率可以達(dá)到72 MHz，工作電壓可以在2.0～3.6 V內(nèi)變化?？刂破骶哂?14個(gè)引腳，且超過80%屬于通用型I/O接口，可以實(shí)現(xiàn)與多種類型硬件設(shè)施的連接，實(shí)現(xiàn)功能拓展和數(shù)據(jù)交互。內(nèi)部集成的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量為2個(gè)，可以對0～3.6 V的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。擁有的CAN接口、SPI串行接口、USART接口的數(shù)量分別為2個(gè)、2個(gè)和3個(gè)。整體而言，STM32控制器的性能優(yōu)異、成本低、運(yùn)行時(shí)的功耗也比較低，在工業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用。

(2)外圍電路設(shè)計(jì)。STM32控制器外圍電路原理如圖2所示，涉及的外圍電路主要包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路。JTAG接口電路的主要作用是下載相關(guān)的程序?qū)刂破鬟M(jìn)行在線調(diào)試。復(fù)位電路的作用是對控制器進(jìn)行重啟復(fù)位，圖中符號B為復(fù)位按鈕。當(dāng)按鈕B沒有被按下時(shí)，復(fù)位電路處于高電平狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行復(fù)位處理，如果將按鈕B按下，復(fù)位電路會(huì)處于低電平狀態(tài)，此時(shí)控制器會(huì)對相關(guān)設(shè)置進(jìn)行復(fù)位處理。晶振電路的作用是為控制器提供外部時(shí)鐘信號，本系統(tǒng)中選用的外部晶振頻率大小為8 MHz。電源電路的作用是為控制器及配套硬件設(shè)施提供電源，選用的本質(zhì)安全型電源型號為CSTI-I，可以輸出電流和電壓分別為1 A和18 V的直流電源，配合使用電源轉(zhuǎn)換電路，可以將其轉(zhuǎn)換成不同的電壓大小供不同硬件設(shè)施使用。

圖2 STM32控制器外圍電路原理示意Fig.2 Schematic diagram of peripheral circuit of STM32 controller

2.2 監(jiān)控單元信號采集電路設(shè)計(jì)

(1)頻率信號采集電路設(shè)計(jì)。頻率信號采集電路原理如圖3所示，為了確保數(shù)據(jù)信號傳輸過程的安全性，需要基于光電耦合器TLP521-4設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)監(jiān)控單元內(nèi)部電氣與傳感器之間的有效隔離。光電隔離的基本原理是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺俎D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，可有效?guī)避監(jiān)控單元內(nèi)部電路與傳感器之間的直接電氣聯(lián)系，同時(shí)保障信號的可靠性，不出現(xiàn)信號畸變問題。

圖3 頻率信號采集電路原理示意Fig.3 Schematic diagram of frequency signal acquisition circuit

圖3中，R10—R13電阻可設(shè)置為750 Ω，避免電流過大對芯片造成損傷。正常情況下傳感器輸出的頻率信號為標(biāo)準(zhǔn)方波，由于礦井環(huán)境整體較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致相關(guān)信號出現(xiàn)畸變問題，如果對該信號直接進(jìn)行處理可能會(huì)引起不必要的誤差，系統(tǒng)中利用反向觸發(fā)器74HC14N對信號進(jìn)行矯正處理。頻率信號矯正前后對比情況如圖4所示。完成矯正后的信號通過I/O引腳輸入到STM32控制器中。

圖4 頻率信號矯正前后對比情況Fig.4 Comparison of frequency signal before and after correction

(2)開停信號采集電路設(shè)計(jì)。開停信號采集電路主要對3種狀態(tài)信號進(jìn)行識別，分別為傳感器本身沒有輸出，即0 mA，電氣設(shè)備處于停機(jī)或開啟狀態(tài)，對應(yīng)的電流信號分別為1 mA和5 mA。STM32控制器中每2個(gè)I/O引腳可以對1臺(tái)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識別。具體識別方法為：如果2個(gè)引腳同時(shí)采集獲得高電平信號，則對應(yīng)的電氣設(shè)備處于“開”狀態(tài)，用“11”表示“開”狀態(tài)；如果2個(gè)引腳采集到的信號分別為高電平信號和低電平信號，則對應(yīng)的電氣設(shè)備處于“關(guān)”狀態(tài)，用“01”表示“關(guān)”；如果2個(gè)引腳同時(shí)采集獲得低電平信號，則表示傳感器沒有輸出任何信號，用“00”表示傳感器的異常狀態(tài)。

(3)電流信號采集電路設(shè)計(jì)。利用傳感器檢測獲得的通常為4～20 mA的電流模擬量信號，此信號通常需要將其轉(zhuǎn)換成為電壓信號后才能輸入到控制器中進(jìn)行分析與處理?？紤]到控制器STM32能夠識別的電壓信號范圍為0～3.6 V。因此，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的電流轉(zhuǎn)換信號大小為0～3.3 V。但當(dāng)模擬量信號大小為4 mA時(shí)，很難通過轉(zhuǎn)換電路將電壓值調(diào)整為0，所以需要通過運(yùn)放運(yùn)放OP07以及調(diào)壓器TL431對信號進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)電流信號4～20 mA向電壓信號0～3.3 V的轉(zhuǎn)換。電流信號采集電路原理如圖5所示。

圖5 電流信號采集電路原理Fig.5 Principle of current signal acquisition circuit

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)一旦檢測發(fā)現(xiàn)礦井供電線路存在安全隱患或故障問題時(shí)，需向外發(fā)出警報(bào)，主要是利用報(bào)警電路來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，監(jiān)控單元報(bào)警電路的原理如圖6所示。由圖6可知，報(bào)警電路通過I/O引腳實(shí)現(xiàn)與STM32控制器的連接，電路中最重要的是繼電器，還包含有對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。供電網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)時(shí)，繼電器處于斷開狀態(tài)，如果存在故障問題時(shí)，控制器會(huì)下達(dá)指令使繼電器閉合，從而觸發(fā)報(bào)警功能。

圖6 監(jiān)控單元報(bào)警電路原理示意Fig.6 Schematic diagram of alarm circuitof monitoring unit

3 監(jiān)控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信系統(tǒng)整體方案

位于井下的監(jiān)控單元采集獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，需要通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)轿挥诘孛娴募刂行摹５孛婕刂行南逻_(dá)的控制指令，需要通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)骄卤O(jiān)控單元才能得以執(zhí)行。因此，通信系統(tǒng)是智能監(jiān)控系統(tǒng)中的重要構(gòu)成部分，其運(yùn)行過程的可靠性會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性的影響[9]。

礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)中涉及的通信類型主要包含3種，分別為CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)和RS-485。其中，RS-485通信主要是將井下各類硬件設(shè)施與井下監(jiān)控單元進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，比如傳感器與監(jiān)控單元就是基于RS-485串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線主要是實(shí)現(xiàn)井下各個(gè)監(jiān)控單元之間的連接，各個(gè)單元之間可以通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸與共享，在任何一個(gè)監(jiān)控單元都可以對其他監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢。井下監(jiān)控單元與地面集控中心之間基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。通信系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通信系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)Fig.7 Main structure of communication system

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)硬件接口設(shè)計(jì)

利用工業(yè)以太網(wǎng)對地面集控中心和井下監(jiān)控單元進(jìn)行連接時(shí)，需要設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，這里選用W5500型以太網(wǎng)控制器芯片。W5500芯片在工業(yè)領(lǐng)域具有一定范圍的應(yīng)用，獲得了良好的應(yīng)用效果，該型號芯片能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP硬件協(xié)議棧，還能實(shí)現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議等。芯片正常工作時(shí)的頻率最高可以達(dá)到80 MHz，具有良好的運(yùn)行性能，同時(shí)具備良好的兼容性，可以適應(yīng)多種類型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信模式。可以利用LED燈顯示工業(yè)以太網(wǎng)的連接狀態(tài)。W5500芯片與井下監(jiān)控單元之間的連接如圖8所示。

圖8 W5500芯片與井下監(jiān)控單元之間的連接示意Fig.8 Schematic diagram of connection between W5500 chip and downhole monitoring unit

由圖8可知，W5500芯片主要通過4個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)與井下監(jiān)控單元中STM32控制器之間的連接，分別為MOSI、MISO、SCLK、SCSN。其中SCSN引腳的主要作用是對SPI接口進(jìn)行控制，只有在低電平的情況下該引腳才會(huì)起作用。SCLK引腳的主要作用是對時(shí)鐘信號進(jìn)行接收。MOSI、MISO引腳的作用是實(shí)現(xiàn)W5500芯片和控制器STM32之間數(shù)據(jù)信息的交互，2個(gè)引腳的數(shù)據(jù)傳輸方向正好相反。

4 地面集控中心軟件設(shè)計(jì)

4.1 地面集控中心軟件主要功能

基于KingView軟件平臺(tái)對地面集控中心的軟件程序進(jìn)行編寫，選用的軟件平臺(tái)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，且編寫程序非常方便，能夠同時(shí)與多種設(shè)備進(jìn)行連接[10]。地面集控中心軟件主要功能框圖如圖9所示。

圖9 地面集控中心軟件主要功能框圖Fig.9 Main function block diagram of ground centralized control center software

集控中心設(shè)置有操作臺(tái)和監(jiān)控大屏，在操作臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)對集控中心軟件的操作或設(shè)置，軟件程序主要包含有6個(gè)功能。井下監(jiān)控單元采集獲得的數(shù)據(jù)信息會(huì)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行管理，且數(shù)據(jù)以圖形化形式進(jìn)行呈現(xiàn)，工作人員可直觀了解和掌握井下供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。對于故障數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)單獨(dú)存儲(chǔ)，以便后續(xù)調(diào)取查閱。

4.2 監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)

位于地面集控中心的監(jiān)控主界面需要對井下供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，主要包括有功功率、無功功率、開關(guān)分合狀態(tài)、電流、電壓、功率等用電信息。需要對上述信息進(jìn)行圖形化展示，能導(dǎo)出日報(bào)表、月報(bào)表等。

礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖10所示。從圖10中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)可以對礦井中的主要電氣設(shè)備的用電量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。

圖10 礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.10 Main interface of mine intelligent power supply monitoring system

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一旦檢測發(fā)現(xiàn)井下供電網(wǎng)絡(luò)存在故障問題或安全隱患時(shí)，會(huì)立即向外發(fā)出報(bào)警信號。對于監(jiān)控系統(tǒng)主界面，主要是以彈窗形式彈出相關(guān)數(shù)據(jù)信息，確保監(jiān)控人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。彈窗信息主要包括報(bào)警內(nèi)容、時(shí)間、超限參數(shù)等。只有登錄系統(tǒng)獲得權(quán)限的人員才能接收到報(bào)警彈窗信息，只有具有一定權(quán)限的賬號才能對報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)，如果工作人員不對報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)，則報(bào)警彈窗會(huì)一直顯示在監(jiān)控界面。

5 應(yīng)用情況

為了對設(shè)計(jì)的礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)的性能和運(yùn)行可靠性進(jìn)行測試，將監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能都能正常實(shí)現(xiàn)。供電監(jiān)控系統(tǒng)正式投入運(yùn)行以后，能對整個(gè)礦井的中央變電所、各個(gè)盤區(qū)的變電站、移動(dòng)變電站、高壓配電裝置、照明系統(tǒng)等的運(yùn)行情況進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確的監(jiān)控，為礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的保障。智能監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，在很大程度上提升了礦井的智能化和信息化水平，為煤礦開采效率的提升貢獻(xiàn)了一定的力量。

利用礦井智能供電監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下主要的機(jī)電設(shè)備用電數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。根據(jù)采集結(jié)果可分析判斷井下的工作狀態(tài)，比如對主排水泵運(yùn)行時(shí)的電量信息進(jìn)行分析，可以獲得流量、壓力、水位等狀態(tài)信息。通過對各機(jī)電設(shè)備用電信息的采集，能分析判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。如果發(fā)現(xiàn)某機(jī)電設(shè)備存在安全隱患，可在地面集控中心下達(dá)指令，對井下的設(shè)備進(jìn)行停機(jī)處理，以保障設(shè)備運(yùn)行的安全性。

6 結(jié)論

以礦井供電網(wǎng)絡(luò)為研究對象，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)研究了智能供電監(jiān)控系統(tǒng)，并將其部署的工程實(shí)踐中。

(1)智能供電監(jiān)控系統(tǒng)可以劃分成為3部分，分別為井下監(jiān)控單元、地面集控中心和通信網(wǎng)絡(luò)。各部分之間相互協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)井下監(jiān)控單元主要作用是利用傳感器對供電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行采集，監(jiān)控單元中使用的控制器型號為STM32?？刂破髋c傳感器等硬件設(shè)施之間基于RS-485串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，各監(jiān)控單元之間基于CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。

(3)地面集控中心系統(tǒng)主界面可以實(shí)時(shí)顯示井下各電氣設(shè)備的用電狀態(tài)信息。一旦出現(xiàn)故障問題或安全隱患，會(huì)以彈窗形式進(jìn)行報(bào)警。地面集控中心與井下監(jiān)控單元之間基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互。

(4)將設(shè)計(jì)的智能供電監(jiān)控系統(tǒng)部署到煤礦工程實(shí)踐中，進(jìn)行測試后正式投入運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)功能都得以實(shí)現(xiàn)，整體運(yùn)行良好，為供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了良好的安全效益。