煤礦井下電力監測監控系統及其改進方案

張魏魏

(徐州煤礦機械廠，徐州 221004)

1 引言

在目前的礦井開采中，井下供電系統經常出現開關保護誤動的現象，造成井下局部或者更大面積的停電事故。事故發生后，由于缺乏電網的實時監測監控，對事故發生的地點和原因不詳，恢復供電需要很長的時間，容易影響礦井安全生產。因此，對井下電力實現自動化遠程監測監控管理，供電系統的運行狀態、故障診斷、技術參數以及停送電操作的管理很有必要。

眾所周知，井下變電站實時監控系統的關鍵在于大量的現場采集信息和數據快速、準確、實時上傳到監控中心，并能將監控中心下達的控制命令準確無誤的傳送到控制單元，及時采取措施避免事故發生，這就需要可靠的通信保障。因此在江蘇大屯煤礦對其井下供電系統進行了改造，同時引入了煤礦井下電力自動化遠程監測監控系統，并對數據中心站通信系統進行改進，使之更適合現代化煤礦發展的需要。

2 整體系統結構

系統主要由地面監控室、數據中心站、井下監控分站三大部分組成，可實現快速故障診斷，保證系統的實時性、確定性和可靠性。系統結構圖如圖l所示。

圖1 整體系統結構

2.1 地面監控中心

此部分主要配置包括上位機組態軟件、地面工控機(有一臺為熱備機)、打印機及配套設備組成。

上位機系統設計是基于組態王6.5通用工控組態軟件，它是工控系統的人機界面，是基于Windows NT/2000/XP操作系統。上位機具有良好的開放性和靈活性的組態軟件，提供友好的、易于操作的畫面風格，能準確的模擬被監控現場的實際畫面，使看到畫面就像看到現場一樣，例如井下電力系統的模擬量顯示圖、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 井下監控分站

井下監控分站，主要用于與井下配電設備的綜合保護裝置的通訊。監控分站把智能終端保護器的各種數據傳送給地面監控中心工控機，另外，把工控機發出的控制指令(定值修改、分/合閘操作、裝置復歸)傳送給智能終端保護器，由智能終端保護器來執行工控機的命令，從而可靠地完成對被控設備的控制。

2.3 數據中心站

數據中心站，是井下電力監測監控系統的關鍵，在于它能將井下大量的現場采集信息和數據快速、準確、實時上傳到監控中心，并能將監控中心下達的控制命令準確無誤的傳送到控制單元，及時采取措施避免事故發生。煤礦井下電力監測監控系統的主要網絡結構，如圖2所示。

圖2 系統網絡結構

從圖中可以看出，上位機到井下監控分站之間的傳輸介質為光纖，井下監控分站到下位機(各個開關綜合保護器)之間的傳輸介質為通信電纜，他們采用的是高可靠性的CAN現場總線通信方式。

下位機包括高壓防爆開關、低壓真空饋電開關及磁力啟動器等智能綜合保護裝置，智能綜合保護裝置都是通過RS－485通信電路與監控主機通信，從而可在主機上完成遠方合閘、分閘、修改參數、查詢開關狀態等操作。由此就造成了監控分站與下位機之間要有一個RS485轉CAN總線的轉換來實現。現實中既要滿足下位機(各種開關)的要求，又要滿足與上位機的通信，很多廠家的RS485－CAN轉換器不能適合本系統的要求，與此系統不匹配。因此針對這種情況，我們設計了一種專門針對此監控系統的RS485－CAN轉換器，以此實現井下數據傳輸。

2.3.1 RS485－CAN 轉換器硬件設計

煤礦井下電力監測監控系統中RS485－CAN轉換器硬件部分由以下幾部分組成:AT89C52控制器、SJA1000T獨立的 CAN控制器、TJA1050收發器、6N137光電隔離器。控制器AT89C52負責SJA1000T的初始化，通過控制TJA1050來實現數據的接收和發送等通信任務。

此轉換器不僅與上級監控分站通信，還可獨立與其他各節點通信。我們這里采用AT89C52微處理器，在需要和監控分站或其它節點通信時，其通過P0口向SJA1000T的寄存器發送信息，再由TJA1050把信息傳遞到CAN總線上。分站和其他通信節點判斷接收報文的標識符，將對接收到的信息作相應的處理，從而實現通信功能，如圖3所示。

圖3 轉換器通信原理

其主要電路設計思路:

(1)微處理器AT89C52通過P0口向SJA1000T的寄存器發送信息，其引腳P2.7接CAN控制器SJA1000T的片選信號/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收發器，輸入電平為5V。其特點在于:高速、抗電磁干擾(EMI)能力極強、無待機模式等。收發器TJA1050的引腳8(Rs)用10 kΩ的電阻連接，實現抗干擾的作用;

(3)圖3中應為兩個高速光電耦合隔離器件6N137，由于6N137輸出引腳的驅動能力不夠，需要連接一個約360 Ω的上拉電阻，以增加輸出引腳的驅動能力;

(4)此設計還用了一個看門狗電路，看門狗芯片用MAX813，使系統受到強干擾時能自動復位，防止程序發生死循環，或者程序跑飛。另外用MAX485SCA作為RS－485的接口芯片，將單片機串口引出的TTL信號轉化為RS－485信號，主要電路如圖4所示。

圖4 主要電路圖

2.3.2 系統通信模塊的軟件設計

通信模塊的軟件由5部分組成:初始化程序，發送程序和接受程序、中斷服務程序和錯誤處理程序，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收發控制

DORD.4=1;

}

//發送10個數據，其中第一個數據是地址信息，其他是數據信息

Void TXD(unsigned char*datas)

{

unsigned char i=0;

PORTD.4=1;//使MAX485處于發送狀態

while(i＜amount)//一共發送amount個數據

{

while(UCSROA＆32)==0);//等待發送緩沖器空閑

//第一字節是地址信息(第9位=1)其他的是數據信息(第9位=0)

if(i==0)USCROB=1;

else UCSROB＆=254;

UDRO=*(datas+i);//裝載數據開始發送

i++;

}

while((UCSROA＆64)==0);

UCSROA=64;//清除發送結束標志

PORTD．4=0;//使MAX485 處于接收狀態

}

3 系統功能

通過網絡通訊技術、現場總線技術、上位機、工控機等完成井下配電設備數據的采集、顯示、保存和查詢，以及對井下配電設備進行適當的控制。具體功能如下:

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

(2) 地面計算機給井下每一臺配電開關，分布一個通訊地址，在井上就可以通過輸入通訊地址來查詢開關的運行狀態，即實現遙信、遙調、遙控、遙測，可對井下設備進行遠程參數整定、修改及遠程分合閘等操作;

(3) 當井下設備發生如過壓、欠壓、斷相、漏電、過載、短路等故障時，利用系統的聲光報警功能，可精確顯示故障設備的故障性質和位置;

(4) 生成每臺配電開關的電能統計日、月、年報表，并可打印，以方便電能消耗的統計;

(5) 實現多種查詢功能，如井下電網參數的歷史記錄查詢、報表查詢、報警記錄查詢等。

4 結束語

目前，在江蘇大屯煤礦對其井下供電系統、通信系統進行改造以后，該系統安全穩定，能夠實時監測井下供電系統各級電壓值，負載電流值，功率值及開關的運行狀態，并能夠查看相關值的歷史曲線; 能對各個配電設備的保護值進行整定和修改，通過在上位機的操作實現遠程分合閘; 能夠對井下電網的數據實時采集處理，對其出現的短路、過載、過壓、漏電等各種系統故障進行實時告警和定位; 另外，系統還預留了視頻及WEB 接口，便于將來系統的擴展。通過在該礦的實際應用，說明了該系統技術先進、功能完善、可靠性高，提高了生產效率，為煤礦的井下電力安全提供了很好的保障，產生了很好的經濟和社會效益。

［1］趙斌，孫兵．基于RS－485總線的變電所監測監控系統設計［J］．機電一體化，2003(4): 70－75．

［2］劉東波．煤礦井下變電所遠程監控技術及其改進方案．

［3］邵會忠．基于現場總線技術的電力監控系統研究與開發．華中科技大學．控制工程，2004．5．10．

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