礦井供電智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與設計

張碧瑩

（晉能控股煤業(yè)集團塔山鐵路分公司 山西省大同市 037003）

煤炭作為我國主要能源來源，保障其安全高效生產(chǎn)具有舉足輕重的作用，機械化和自動化采掘裝備 的引入，進一步提高了生產(chǎn)力水平。而作為煤礦井下各類生產(chǎn)運輸?shù)哪芰縼碓矗娏θ缛舨荒芗皶r恢復，輕則導致生產(chǎn)中斷，重則導致人員傷亡，因此保障供電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行尤為重要。

近些年來，人們在瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、采掘設備控制等領域的應用研究較為深入，而對于煤礦井下供電系統(tǒng)的監(jiān)控研究則相對不足，煤炭設備平穩(wěn)運行和各項傳感系統(tǒng)的正常工作，都離不開電能的可靠供應，因此，設計一套礦井供電智能監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控電網(wǎng)運行狀態(tài)、合理配置相關參數(shù)十分必要。

1 礦井供電系統(tǒng)基本結構與分析

如圖1 所示，煤礦供電系統(tǒng)主要分井上、井下兩部分，由變電站、變電所和移動變電站等多個部分組成，以綜采工作面供電系統(tǒng)為例，主要由變電所、移動變電站、工作面工作設備等組成。由于煤礦井下空間狹小，伴隨著煤炭開采空氣中含有大量煤粉顆粒等細小物質，影響著電力設備的壽命，同時也導致供電系統(tǒng)故障多發(fā)。

圖1： 綜采工作面供電系統(tǒng)說明圖

煤礦供電系統(tǒng)的主要故障為短路故障，具體可以細分為相間（兩相、三相）故障和漏電故障，發(fā)生故障后在降低電能質量的同時，短路能量還會造成電力設備絕緣損傷，影響使用壽命，嚴重的還可能引發(fā)瓦斯爆炸。根據(jù)常見的故障類型，目前供電監(jiān)控系統(tǒng)的主要問題在于多級逐段控制下的供電網(wǎng)絡復雜，短路保護難以定位；同時相關數(shù)據(jù)采集精度較低，通信穩(wěn)定性較差，難以對故障作出判斷，影響決策。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)特點設計的智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖2 所示，全系統(tǒng)分為地面和井下兩部分，其中井下部分以TCP/IP 網(wǎng)絡為核心，根據(jù)變電所位置分為中央變電所、采區(qū)變電所、移動變電所三個監(jiān)控單元，各個監(jiān)控單元內(nèi)部均設立監(jiān)控分站，分站通過RS485 通信與對應高爆開關或低壓啟動器相連，實時獲取電壓、電流、功率、能耗等供電參數(shù)和系統(tǒng)定值、刀閘斷路器狀態(tài)、動作限值等設備狀態(tài)。

圖2： 礦井供電智能監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

各變電所監(jiān)控單元通過底層的低壓啟動器等監(jiān)控設備將實時數(shù)據(jù)通過通信總線傳遞給監(jiān)控分站，并經(jīng)過監(jiān)控分站存儲、打包為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結構，傳遞給以太網(wǎng)，實現(xiàn)與其他分站的通信。集成數(shù)據(jù)通過訪問以太網(wǎng)實現(xiàn)對井下參數(shù)的實時訪問顯示、狀態(tài)預警分析和相關參數(shù)的遠程配置。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 分站主控芯片選擇

CPU 選擇及以太網(wǎng)傳輸模塊選擇：

監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與監(jiān)控分站等核心部分的運行性能密不可分，監(jiān)控分站主要由CPU、存儲器、輸入接口、輸出接口、以太網(wǎng)接口和RS485 通信接口組成，本系統(tǒng)采用STM32F407 作為核心處理器，它內(nèi)部含有靈活靜態(tài)存儲控制器FSMC，確保對視頻數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定處置，USART 通信端口則能實現(xiàn)對485 數(shù)據(jù)的處理，通過串行同步通信端口的SPI 功能，能夠實現(xiàn)與以太網(wǎng)接口的通信，而以太網(wǎng)處理芯片W5500 則可以通過RJ45 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)所使用的W5500 芯片內(nèi)部集成TCP/IP 體系架構的ICMP 等網(wǎng)絡協(xié)議能夠完成數(shù)據(jù)打包、硬件傳輸，通過SPI 通信接口與CPU 相連，并控制相應寄存器，可以確保數(shù)據(jù)傳輸準確。當需上傳數(shù)據(jù)時，主控CPU 控制芯片完成IP 配置和TCP 協(xié)議初始化之后，建立TCP 連接，并將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送給W5500，完成數(shù)據(jù)封裝置后，經(jīng)由主站設備傳遞給以太網(wǎng)。當需要接收數(shù)據(jù)時，W5500 在接收到地面?zhèn)鬏數(shù)目刂浦噶詈?，完成?shù)據(jù)的解包處理，并傳遞給主控CPU，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整或緊急狀態(tài)處置。如圖3 所示。

圖3： CPU 內(nèi)部組成及以太網(wǎng)傳輸模塊W5500

3.2 啟停信號采集及聲光報警電路設計

為確保系統(tǒng)能夠準確感知各個信號、傳感器等關鍵數(shù)據(jù)輸出的具體狀態(tài)，需要使用啟停信號采集電路，并如圖4 所示。電平信號由接入端IN1、IN2 引入之后，經(jīng)過光電耦合器和具有上拉電阻的反相觸發(fā)器，由OUT1、OUT2 輸出。通過該裝置，可以將原有信號進行隔離，避免外界電磁信號的干擾，并直接接入監(jiān)控分站處理器，實現(xiàn)感知。

圖4： 啟停信號采集及聲光報警電路

同時為確?，F(xiàn)場多種設備健康運行，在完成系統(tǒng)運行狀態(tài)、信號參數(shù)采集之后，通過預先設定閾值的方式，完成報警，系統(tǒng)電路如圖4 所示，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)IO 引腳置低電平，光電耦合器處于導通狀態(tài)，從而保證繼電器處于閉合狀態(tài)，實現(xiàn)小電流對大電流的控制，完成系統(tǒng)報警。

3.3 通信電路設計

為確保供電系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)準確傳輸，需要使用一種抗干擾能力強、數(shù)據(jù)密度較大、通信穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式，基于以上考慮本系統(tǒng)選用硬件電路為RS485 差分通信，通信協(xié)議為Modbus 的方式，來實現(xiàn)各個底層傳感裝置與監(jiān)控分站之間電壓、電流、功率、環(huán)境溫度、刀閘狀態(tài)等關鍵參數(shù)的傳輸。如圖5 所示。

圖5： RS485 電路模塊設計

相較于其他共模傳輸方法，RS485 通過采用差分電平和平衡驅動器搭配的方式完成通信電平轉換，抗共模信號干擾能力強，其傳輸速率最高可達12Mbps 傳輸速率，傳輸距離最遠可達1200m，并支持中繼器的傳輸方式，本方案即采用此方法。除此之外還具有聯(lián)網(wǎng)多機通信功能，最多搭載128個終端。軟件協(xié)議方面，采用標準ModBus 協(xié)議，通信數(shù)據(jù)幀格式如圖5 所示，主要由初始幀結構（大于4 字節(jié)）、地址碼（預先定義，1 字節(jié)）、功能碼（預先定義，1 字節(jié)）、數(shù)據(jù)區(qū)（隨機確定，N 字節(jié)）、校驗碼（16 位數(shù)據(jù)）、結束結構（大于4 字節(jié)）組成。

其中校驗碼主要通過CRC16 循環(huán)冗余算法計算，數(shù)據(jù)接收方通過核對接收到的校驗位數(shù)據(jù)與自己接收到的其他數(shù)據(jù)計算得到的校驗位相比較，從而確定接收數(shù)據(jù)的準確性。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)工作流程

作為監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，監(jiān)控分站的工作流程如圖6 所示，當系統(tǒng)上電之后，首先完成軟件系統(tǒng)初始化，完成初始參數(shù)配置，隨后完成系統(tǒng)對應硬件電路的初始化，確保刀閘、開關等位置正確。當系統(tǒng)確認關鍵設備都正確后，開始創(chuàng)建通信任務，主要分為下行的RS485 通信及其協(xié)議轉換任務，通過該任務可以完成對溫度傳感器、電壓電流互感器等電網(wǎng)關鍵參數(shù)的讀取，并將關鍵數(shù)據(jù)進行存儲；隨后根據(jù)以太網(wǎng)通信實現(xiàn)上行通信數(shù)據(jù)讀取，例如遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行定值參數(shù)配置、倒閘操作等等，同時通過以太網(wǎng)將當前系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至地面部分。

圖6： 監(jiān)控分站工作流程圖

當檢修人員需要對系統(tǒng)進行本地設施時，還可以通過按鍵進行操作，通過相應485 協(xié)議調(diào)試設備可以看到對應按鍵操作是否得到響應，以便進行操作調(diào)整，并縮短系統(tǒng)調(diào)試時間。

4.2 軟件系統(tǒng)界面設計

為確保供電系統(tǒng)各項參數(shù)均清晰可見，并明確把握供電系統(tǒng)整體狀態(tài)，設計了如圖7 所示的礦井供電智能監(jiān)測系統(tǒng)界面，該界面由組態(tài)軟件編制，通過以太網(wǎng)與井下設備相連，在讀取井下設備狀態(tài)的同時，能夠遠程對設備狀態(tài)進行切換。

圖7： 監(jiān)控系統(tǒng)界面示意圖

該系統(tǒng)主要分為功能菜單、參數(shù)曲線和狀態(tài)列表三個部分，其中功能菜單能實現(xiàn)對歷史曲線、數(shù)據(jù)的保存、查詢功能，同時可以實現(xiàn)對通信參數(shù)的設置。當?shù)卿浵到y(tǒng)后，可以實現(xiàn)對遠方刀閘的緊急操作。

通過設置當前設備，可以調(diào)用參數(shù)曲線功能查看相應變電所的環(huán)境溫度和歷史負荷曲線，可以幫助運行人員對當前電網(wǎng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)負荷情況有明確的認識。通過狀態(tài)列表，則可以直觀看到不同變電所對應的電壓、電流、負荷大小及刀閘狀態(tài)等等，根據(jù)系統(tǒng)預先設置的運行方式，結合歷史傳感器參數(shù)，可以實現(xiàn)對上述參數(shù)的正常、告警、報警等多種狀態(tài)的判斷，以提示運維人員及時采取相關措施。

同時根據(jù)當前報警狀態(tài)，系統(tǒng)可以作出判斷，并明確相間短路、漏電短路等多種故障可能性，幫助作業(yè)人員快速實現(xiàn)故障判別，從而降低供電系統(tǒng)故障運行時間，確保設備健康運行。

4.3 系統(tǒng)故障診斷機理

礦井供電系統(tǒng)故障診斷方法通常有人工檢測和智能監(jiān)測兩大類，人工檢測以直觀檢測法、替換檢測法、短接檢測法和參照檢測法為主，智能監(jiān)測以供電系統(tǒng)自主化主站檢測、故障同步檢測和主站及終端協(xié)調(diào)檢測為主。其中自動化主站和終端協(xié)調(diào)檢測可以模擬供電系統(tǒng)故障場景并將相關數(shù)據(jù)注入主站，由主站通過遠程命令實現(xiàn)對故障的檢測，與此同時結合安裝在系統(tǒng)各個位置的故障發(fā)生器、分析注入的模擬短路電流波形，完成對主站相關參數(shù)的檢測。實現(xiàn)對礦井供電系統(tǒng)故障方式的分析。

5 結語

本文在研究煤礦井下供電系統(tǒng)結構和變電所等關鍵裝置分布的基礎上，設計了以STM32F4 為核心的監(jiān)控分站為關鍵點、RS485 為主要通信方式的智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過遠程采集系統(tǒng)運行電壓電流等關鍵參數(shù)，實現(xiàn)各變電所運行狀態(tài)直觀反映，并實現(xiàn)聲光報警。通過集成監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的故障分析功能，可以協(xié)助人員完成故障判斷，從而提高搶修速度，對拓展智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用具有一定的借鑒意義。