＊楊 森

（晉能控股集團晉城煤炭事業(yè)部長平公司 山西 048000）

引言

在煤礦井下中，供電系統(tǒng)是設備的主要動力來源。由于當前井下工況環(huán)境相對惡劣，往往出現(xiàn)線路短路、過載以及漏電的現(xiàn)象。通常在發(fā)生上述故障之前，往往在高壓配電開關位置出現(xiàn)相應的現(xiàn)象比如：電流電壓急劇增加以及溫度也升高。為此設計高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)，從而能夠將該特征隨時傳輸給地面控制中心，這樣能夠有效地優(yōu)化故障率。一旦出現(xiàn)了故障，那么通過該系統(tǒng)能夠及時定位以及提高故障排除效率，這樣能夠極大的提高電力系統(tǒng)的損失。借助地面計算機進而更好地實現(xiàn)計算機的分合閘操作，因此能夠優(yōu)化供電系統(tǒng)的管理水平[1]。

1.高壓供電監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

(1)結構設計

圖1表示相應的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結構圖，該系統(tǒng)選用DCS型分部計算機，其中分為井下監(jiān)控以及地面監(jiān)控兩部分，并且其兩者之間的信息交互形式選用RS-485，這樣可以實現(xiàn)對井下變電站信息的采集，同時將獲得大的數(shù)據(jù)放在井下變電站控制器緩沖區(qū)域。假如地面變電站訪問井下變電站時，必須向井下變電站發(fā)送訪問指令，從而可以對井下的變電站進行訪問。與此同時工作人員可以通過觀察井上變電站監(jiān)控平臺觀察井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況。同時可以向井下變電站傳輸分、合閘操作指令。

圖1 煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)結構

(2)通信方式選擇

通常情況下，對于煤礦井下通訊而言，往往選用如下幾個通信形式：第一，RS-485；第二，CAN總線；第三，光纖通信；第四，RS-232；第五，Zigbee組網(wǎng)等等。由于帶光電隔離的RS-485能夠有效地優(yōu)化地面與井下信息的交互，因此選用RS-485進行信息交互，接線形式選擇為二線制，信息傳輸距離可以達到1500m，由此可以看出其能夠滿足井下信息的傳輸，與此同時光電隔離技術可以有效地避免不必要的信息干擾，進而可以提高信噪比[2]。對于近距離的信息傳輸可以選用RS-232，通常接線形式可以選用三種形式，最遠的信息傳輸距離可以達到15m。

2.系統(tǒng)硬件設計

(1)主控芯片選型

對于主控制芯片而言，可以選擇MSP430F5438單片機，其優(yōu)點在于能耗極低，直流電源供電范圍為2.2A到3.6A之間。同時設置了大量的外設如下所示：第一，3個16位定時器；第二，1個高速12位模/數(shù)轉換器；第三，WDT看門狗定時器；第四，P1-10端口；第五，12C串行通信等等。借助該芯片可以對采煤機電器控制其進行控制，與此同時可以大大降低系統(tǒng)能耗[3]。

(2)完全隔離型RS-485電路設計

井下與井上的監(jiān)控平臺的信息交互選用RS-485電路，選擇的芯片為ADM2587E，該芯片選用SOW-20形式進行封裝，其可以實現(xiàn)500Kibit/s傳輸速率，主要應用于工控、電力等場合。其中圖2表示相應的完全隔離型RS-485電路原理圖。為了能夠有效地降低電壓、雷擊以及浪涌電壓對信號的干擾，通常可以在總線位置設置如下保護操作比如：設置VA，VB管腳上串接RT電阻。通常情況下，電阻阻值在4Ω到10Ω之間，同時將VA，VB引腳接地TVS管。

圖2 完全隔離型TS-485電路

(3)RS-232通信電路設計

經(jīng)過對井下工作情況的分析井下變電站與數(shù)據(jù)采集信息交互選擇RS-232，其傳輸方位范圍在50bit/s到38400bit/s之間，同時滿足雙工異步通信的需要。而對于井下變電所與高壓供電系統(tǒng)而言，通?？梢越柚鶰AX3232ESE實現(xiàn)TTL和RS-232之間的電平轉換，圖3所示為相應的設計電路。與此同時為了能夠對系統(tǒng)進行擴展，設置了一系列的串口，從而便于更好地進行硬件升級[4]。

圖3 RS-232通信電路原理

(4)測溫電路設計

對于高壓配電開關的溫度傳感器而言，通常選取DS18B20芯片，這樣能夠有效地對低壓腔體的溫度進行實時監(jiān)測，與此同時可以將溫度傳輸給地面控制中心。DS18B20芯片在獲得溫度的過程中，主要通過對其DQ引腳讀、寫高低電平的時序來實現(xiàn)，同時在DQ引腳上面增加上拉電阻，這樣可以有效地提高DS18B20的驅動能力，圖4表示相應的電路原理圖。

圖4 測溫電路

在讀取溫度時，其涉及如下幾個方面：第一，初始化時序；第二，讀取時序；第三，寫時序。對于時序而言，其將主機設定為主設備，而總線器設定為從設備。通常信號的傳輸都是由主機主動啟動撰寫程序，而假如需要借助單總線器反饋數(shù)據(jù)，那么在完成信息的書寫后，主機往往需要借助啟動數(shù)據(jù)讀時序來進行信息的傳輸[5]。

3.軟件設計

(1)測溫程序設計

①DS18B20暫存寄存器分布。對于DS18B20溫度傳感器而言，本設計選用單總線結構，其可以完成對信息的讀寫操作，進而可以完成溫度數(shù)據(jù)的讀取。DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成。假如發(fā)出了溫度轉換器后，那么相應的溫度數(shù)字以二字節(jié)的形式存放在掛鍍暫存器內部。而這時單片機可以借助單線接口對溫度數(shù)值進行讀取，而通常先讀取低位，再讀取高位數(shù)值。相應的溫度計算如下所示：假如S取值為0，那么將二進制轉化成為十進制。假如S取值為1，那么首先進行將補碼轉換成為原碼，最后進行十進制轉換。

②測溫程序設計。在DSl8B20測溫程序時，通常DSl8B20接收到溫度轉換指令后，那么應用軟件必須得到DSl8B20的返回信息才可以得到相應的信號，假如出現(xiàn)接觸不良或者信息中斷的情況，那么DSl8B20將不會接收到返回信號。通常情況下將MPS430單片機的P6.2引腳和DS18B20的DQ引腳進行連接。

(2)上位機界面設計

該系統(tǒng)的上位機軟件選用VB程序進行編程，借助C語言進行編程，與此同時增加必要的代碼，這樣可以對組件進行調用，從而可以大大優(yōu)化編寫程序的難度，通過該程序可以生成.exe文件。此外，該軟件便于安裝。

通常上位機軟件可以借助井上監(jiān)控平臺對煤礦井下高壓供電系統(tǒng)的配電情況進行實時監(jiān)測，與此同時能夠完成對信息的儲存。假如系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時，那么工作人員可以通過監(jiān)控平臺對歷史數(shù)據(jù)進行查詢以及調用。

井下高壓供電系統(tǒng)監(jiān)測界面，其涉及不同變電所不同位置的配電相關參數(shù)比如：第一，電壓；第二，電流；第三，溫度等。同時可以實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)進行查詢，比如查詢某一天不同變電所配電開關信息。

4.結論

本研究以煤礦井下的供電情況進行分析，其選擇的供電回路的對象為6～10kV，并以此為基礎設計煤礦井下變電所高壓供電系統(tǒng)為研究對象。該系統(tǒng)主要包括：完全隔離性RS-485通信電路，該電路能夠進行井下與地面雙向的信息交互；單片機選擇MSP430，其具有超低能耗的特點，可以實現(xiàn)對電壓、電流以及溫度參數(shù)進行采集；主要介紹了DS18B20測溫芯片測溫步驟的軟件，其能夠讓工作人員對高壓供電系統(tǒng)進行實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)的查詢。