煤礦井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及其改進(jìn)方案

張魏魏

(徐州煤礦機(jī)械廠，徐州 221004)

1 引言

在目前的礦井開采中，井下供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)開關(guān)保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象，造成井下局部或者更大面積的停電事故。事故發(fā)生后，由于缺乏電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控，對(duì)事故發(fā)生的地點(diǎn)和原因不詳，恢復(fù)供電需要很長的時(shí)間，容易影響礦井安全生產(chǎn)。因此，對(duì)井下電力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控管理，供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷、技術(shù)參數(shù)以及停送電操作的管理很有必要。

眾所周知，井下變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于大量的現(xiàn)場采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心，并能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無誤的傳送到控制單元，及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生，這就需要可靠的通信保障。因此在江蘇大屯煤礦對(duì)其井下供電系統(tǒng)進(jìn)行了改造，同時(shí)引入了煤礦井下電力自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)中心站通信系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使之更適合現(xiàn)代化煤礦發(fā)展的需要。

2 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控室、數(shù)據(jù)中心站、井下監(jiān)控分站三大部分組成，可實(shí)現(xiàn)快速故障診斷，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性和可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 地面監(jiān)控中心

此部分主要配置包括上位機(jī)組態(tài)軟件、地面工控機(jī)(有一臺(tái)為熱備機(jī))、打印機(jī)及配套設(shè)備組成。

上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于組態(tài)王6.5通用工控組態(tài)軟件，它是工控系統(tǒng)的人機(jī)界面，是基于Windows NT/2000/XP操作系統(tǒng)。上位機(jī)具有良好的開放性和靈活性的組態(tài)軟件，提供友好的、易于操作的畫面風(fēng)格，能準(zhǔn)確的模擬被監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)際畫面，使看到畫面就像看到現(xiàn)場一樣，例如井下電力系統(tǒng)的模擬量顯示圖、分/合閘控制顯示圖、定值修改顯示圖、虛擬儀器顯示圖等都能顯示出來。

2.2 井下監(jiān)控分站

井下監(jiān)控分站，主要用于與井下配電設(shè)備的綜合保護(hù)裝置的通訊。監(jiān)控分站把智能終端保護(hù)器的各種數(shù)據(jù)傳送給地面監(jiān)控中心工控機(jī)，另外，把工控機(jī)發(fā)出的控制指令(定值修改、分/合閘操作、裝置復(fù)歸)傳送給智能終端保護(hù)器，由智能終端保護(hù)器來執(zhí)行工控機(jī)的命令，從而可靠地完成對(duì)被控設(shè)備的控制。

2.3 數(shù)據(jù)中心站

數(shù)據(jù)中心站，是井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，在于它能將井下大量的現(xiàn)場采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心，并能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無誤的傳送到控制單元，及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生。煤礦井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，上位機(jī)到井下監(jiān)控分站之間的傳輸介質(zhì)為光纖，井下監(jiān)控分站到下位機(jī)(各個(gè)開關(guān)綜合保護(hù)器)之間的傳輸介質(zhì)為通信電纜，他們采用的是高可靠性的CAN現(xiàn)場總線通信方式。

下位機(jī)包括高壓防爆開關(guān)、低壓真空饋電開關(guān)及磁力啟動(dòng)器等智能綜合保護(hù)裝置，智能綜合保護(hù)裝置都是通過RS－485通信電路與監(jiān)控主機(jī)通信，從而可在主機(jī)上完成遠(yuǎn)方合閘、分閘、修改參數(shù)、查詢開關(guān)狀態(tài)等操作。由此就造成了監(jiān)控分站與下位機(jī)之間要有一個(gè)RS485轉(zhuǎn)CAN總線的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)實(shí)中既要滿足下位機(jī)(各種開關(guān))的要求，又要滿足與上位機(jī)的通信，很多廠家的RS485－CAN轉(zhuǎn)換器不能適合本系統(tǒng)的要求，與此系統(tǒng)不匹配。因此針對(duì)這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種專門針對(duì)此監(jiān)控系統(tǒng)的RS485－CAN轉(zhuǎn)換器，以此實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.1 RS485－CAN 轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下電力監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中RS485－CAN轉(zhuǎn)換器硬件部分由以下幾部分組成:AT89C52控制器、SJA1000T獨(dú)立的 CAN控制器、TJA1050收發(fā)器、6N137光電隔離器?？刂破鰽T89C52負(fù)責(zé)SJA1000T的初始化，通過控制TJA1050來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

此轉(zhuǎn)換器不僅與上級(jí)監(jiān)控分站通信，還可獨(dú)立與其他各節(jié)點(diǎn)通信。我們這里采用AT89C52微處理器，在需要和監(jiān)控分站或其它節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，其通過P0口向SJA1000T的寄存器發(fā)送信息，再由TJA1050把信息傳遞到CAN總線上。分站和其他通信節(jié)點(diǎn)判斷接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符，將對(duì)接收到的信息作相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)通信功能，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換器通信原理

其主要電路設(shè)計(jì)思路:

(1)微處理器AT89C52通過P0口向SJA1000T的寄存器發(fā)送信息，其引腳P2.7接CAN控制器SJA1000T的片選信號(hào)/CS，處理器C52和CAN控制器SJA1000T分別使用用12 MHz、16 MHz的晶振，以提高通信速率;

(2)TJA1050–高速CAN收發(fā)器，輸入電平為5V。其特點(diǎn)在于:高速、抗電磁干擾(EMI)能力極強(qiáng)、無待機(jī)模式等。收發(fā)器TJA1050的引腳8(Rs)用10 kΩ的電阻連接，實(shí)現(xiàn)抗干擾的作用;

(3)圖3中應(yīng)為兩個(gè)高速光電耦合隔離器件6N137，由于6N137輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力不夠，需要連接一個(gè)約360 Ω的上拉電阻，以增加輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力;

(4)此設(shè)計(jì)還用了一個(gè)看門狗電路，看門狗芯片用MAX813，使系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾時(shí)能自動(dòng)復(fù)位，防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者程序跑飛。另外用MAX485SCA作為RS－485的接口芯片，將單片機(jī)串口引出的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS－485信號(hào)，主要電路如圖4所示。

圖4 主要電路圖

2.3.2 系統(tǒng)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

通信模塊的軟件由5部分組成:初始化程序，發(fā)送程序和接受程序、中斷服務(wù)程序和錯(cuò)誤處理程序，僅這幾部分程序，就能完成通信信息的傳遞。

主程序流程圖如下:

圖5 主程序流程圖

SJA1000T CAN總線控制器的初始化、發(fā)送程序和接收程序，在此不做贅述，我們只介紹一下主程序部分:

Void USART init(void)

{

UCSROB=0x9C;

UCSROC=0x36;

UBRRPOL=0x2F;

PORTD.4=0;//MAX485收發(fā)控制

DORD.4=1;

}

//發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)，其中第一個(gè)數(shù)據(jù)是地址信息，其他是數(shù)據(jù)信息

Void TXD(unsigned char*datas)

{

unsigned char i=0;

PORTD.4=1;//使MAX485處于發(fā)送狀態(tài)

while(i＜amount)//一共發(fā)送amount個(gè)數(shù)據(jù)

{

while(UCSROA＆32)==0);//等待發(fā)送緩沖器空閑

//第一字節(jié)是地址信息(第9位=1)其他的是數(shù)據(jù)信息(第9位=0)

if(i==0)USCROB=1;

else UCSROB＆=254;

UDRO=*(datas+i);//裝載數(shù)據(jù)開始發(fā)送

i++;

}

while((UCSROA＆64)==0);

UCSROA=64;//清除發(fā)送結(jié)束標(biāo)志

PORTD．4=0;//使MAX485 處于接收狀態(tài)

}

3 系統(tǒng)功能

通過網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、上位機(jī)、工控機(jī)等完成井下配電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存和查詢，以及對(duì)井下配電設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。具體功能如下:

(1) 井下電網(wǎng)參數(shù)的顯示和記錄，如ABC三相的電流、零序電流、線電壓、零序電壓、絕緣信號(hào)和相敏信號(hào);

(2) 地面計(jì)算機(jī)給井下每一臺(tái)配電開關(guān)，分布一個(gè)通訊地址，在井上就可以通過輸入通訊地址來查詢開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)遙信、遙調(diào)、遙控、遙測，可對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)整定、修改及遠(yuǎn)程分合閘等操作;

(3) 當(dāng)井下設(shè)備發(fā)生如過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障時(shí)，利用系統(tǒng)的聲光報(bào)警功能，可精確顯示故障設(shè)備的故障性質(zhì)和位置;

(4) 生成每臺(tái)配電開關(guān)的電能統(tǒng)計(jì)日、月、年報(bào)表，并可打印，以方便電能消耗的統(tǒng)計(jì);

(5) 實(shí)現(xiàn)多種查詢功能，如井下電網(wǎng)參數(shù)的歷史記錄查詢、報(bào)表查詢、報(bào)警記錄查詢等。

4 結(jié)束語

目前，在江蘇大屯煤礦對(duì)其井下供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)進(jìn)行改造以后，該系統(tǒng)安全穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測井下供電系統(tǒng)各級(jí)電壓值，負(fù)載電流值，功率值及開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠查看相關(guān)值的歷史曲線; 能對(duì)各個(gè)配電設(shè)備的保護(hù)值進(jìn)行整定和修改，通過在上位機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘; 能夠?qū)码娋W(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理，對(duì)其出現(xiàn)的短路、過載、過壓、漏電等各種系統(tǒng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)告警和定位; 另外，系統(tǒng)還預(yù)留了視頻及WEB 接口，便于將來系統(tǒng)的擴(kuò)展。通過在該礦的實(shí)際應(yīng)用，說明了該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能完善、可靠性高，提高了生產(chǎn)效率，為煤礦的井下電力安全提供了很好的保障，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］趙斌，孫兵．基于RS－485總線的變電所監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)電一體化，2003(4): 70－75．

［2］劉東波．煤礦井下變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其改進(jìn)方案．

［3］邵會(huì)忠．基于現(xiàn)場總線技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)．華中科技大學(xué)．控制工程，2004．5．10．

［4］何巧麗．現(xiàn)場總線技術(shù)研究及其在低壓電力監(jiān)控行業(yè)的應(yīng)用．西北工業(yè)大學(xué)．計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2001．3．1．