礦山機械設備供電網絡智能監測設備設計方案

李永東

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著我國煤炭開采技術的不斷進步，同時為了滿足國內外不斷增長的煤炭需求，我國的各大煤礦均開始淘汰落后的、非自動化的生產設備，同步引進具有高度自動化和智能化水平的礦用機械設備，新進設備對礦山供電設備提出了更高的要求[1]，但目前大多數煤礦井下供電設備還在采用分散式的供電單元，各系統之間相對獨立工作，機械設備供電情況、每日耗電情況等只能通過人工逐個進行收集并上傳系統匯總，不僅效率極其低下而且容易出現錯誤，整個煤礦井下機械設備供電設備的可靠性差、對事故反應速度慢，無法自行對供電設備的運行情況進行診斷，也無法對整個井下所有用電設備的用電情況進行實時檢測、判斷，完全無法滿足井下越來越多的智能化、自動化設備的集中運行要求。

為了滿足煤礦井下供電設備自動化、智能化的控制要求[2]，同時大幅提高井下供電設備的可靠性，在井下供電設備發生故障時能夠迅速地鎖定故障源并及時進行恢復，本文提出了基于現場總線控制技術的井下供電設備的智能監測、控制技術，該技術可以實現對井下供電設備的集中監控及控制，能夠使井下供電設備的安全性、節能性、可靠性得到極大提升。

1 井下供電設備監測系統的整體構型

為了實現對煤礦井下全部供電設備的集成控制，井下供電設備監測系統的整體結構設計如圖1所示。

整個監控系統采用的是標準化接口及通信協議，具有完全開放性，為了便于對井下各獨立的供電單元進行統一控制，其采用環形交換機對各分立的供電設備進行整合，然后利用光纖組成的數據總線構成環網集中控制系統，實現各獨立供電設備的數據實時監測、跨區域共享，滿足對供電設備的在線檢測、故障處理、協調控制。

該智能監測控制系統采用了金字塔型的分層控制形式，各個控制模塊采用的是具有良好擴展功能的智能監測模塊，便于用戶根據煤礦的規模及設備功能方便地進行擴展和調節，該系統具有極強的柔性，使整個系統便于實現標準化和通用化。

圖1 供電設備監測系統整體構型圖

2 現場總線控制設備

總線控制技術是以PLC控制終端和I/O技術為基礎，它可以將煤礦生產現場的各種設備、控制系統等通過互聯、互通，使其與所有信息匯總到控制室內的顯示屏幕上，形成一個全分散、全開放、可相互操作、具有高度自動化的控制系統，其特點主要包括以下幾個方面：

1）總線控制設備由物理層、網絡連接（管理）層、應用層、數據鏈層共4個部分組成，它能夠將各類型的采集信息實現實時、隨機、周期、非周期等不同需求的冗余及可靠傳輸，且信號傳輸層次分明、協議一致性好。

2）現場總線主要包括一級監控及現場設備管理，比較適合各種分散型、集中型的設備分布管理，且具有很好的防爆性能，適合煤礦井下的網絡設置，同時可以利用數據總線對信息、視頻數據傳輸速度快、信號質量好的優勢，實現對各監控點位的遠程視頻傳送，能夠很好地滿足不同客戶的多樣化需求。

3 光纖環網系統

工業光纖環網系統是一個網絡控制系統，其對信息傳遞的實時性、準確性、可靠性、安全性及數據完整性要求極高，整個光纖環網按照工作時的功能劃分可分為管理層的環網系統和處于現場設備層的環網系統，它們之間通過標準信息接口進行互聯互通和數據交換，上下層之間使用相同的通訊協議，可實現交互式操作，同時為了保證信息傳輸的安全性，其采用兩級防火墻設置，對關鍵性操作進行加密管理，確保整個系統的安全性。

在光纖環網中各種信息以周期和非周期傳輸的方式同時存在，通常情況下周期性的信息傳輸要求具有順序性，而一些非周期類的信息則具有優先級別，需要進行特別的處理。

4 監控中心軟件設備的設計

監控中心的軟件組態設計可分為4個部分，物理組態子集、邏輯組態子集、服務器客戶端子集、現場設備，其構成如圖2所示。

圖2 供電設備監測系統軟件組態結構圖

在供電設備監測系統軟件組態構成中，物理組態子集[3]主要是對包括各一線監控點位的監控設備功能模塊、現場監控、控制設備選取等一系列涉及整個系統功能構成的配置過程在內的各設備系統所進行的軟件配置。

邏輯組態子集，作為整個供電設備自動監控系統的核心控制軟件部分，其主要作用是根據用戶需求對現場監測、控制系統所遵循的控制邏輯進行規劃，以實現不同的控制要求和控制策略。Super Famicom（SFC）組態器是控制系統的核心，用于協調、調用編寫模式，LD組態器、ST組態器、IL組態器以及FBD組態器主要用于為控制系統提供圖像化的組態控制模式[3]。

服務器客戶端主要是用于實現標準接口通信，用于一線監測、控制設備的信息、組態下載，實時對控制設備進行數據讀取、寫入，該服務器客戶端是用于聯系上位機與下位機的核心連接設備。

5 供電設備控制分站及集中器的設計

井下供電設備控制分站是將供電設備監測中心和供電設備自動監測系統保護裝置連接起來的橋梁，其主要作用是把供電設備自動監測系統保護裝置采集到的供電設備實時的運行信號傳遞給地面控制中心，并將地面控制中心的相關控制指令傳遞給相對應的系統保護裝置。在供電設備控制系統的分站內還設置有記錄設備用電情況的自動式電力電度表，在電力電度表內設置具有特定工作頻率的接收、發射模塊，這些接收、發射模塊能夠將電度表內的相關信息實時傳遞給中央控制單元，為了保證信號在傳輸過程中的連續性和穩定性，供電設備控制分站應采用低頻信號進行數據的傳輸，低頻通訊信號穿透力強，能夠順利通過井下復雜的地理環境和線路并且受其他電子設備電磁干擾小，能夠確保各種信號傳輸的安全性、準確性、完整性和及時性。

供電設備控制系統中的集中器具有統計時分復用器的功能，該設備能夠將各個分支傳遞的數據流進行預處理，使各類傳輸信號更加平滑，同時還兼具通信控制功能，可以執行數據流的分接和復接，增強傳輸信號。在系統運作的過程中，集中器可以實時采集各設備的用電數據并通過終端PLC控制系統進行實時用電管理，能夠自動記錄整個井下供電設備控制系統中最大電力波動發生的時間和峰值[4]。

6 結語

通過對煤礦井下供電設備自動監測、控制系統的研究，在總結實踐經驗的基礎上，根據實際煤礦井下供電設備控制系統在運行中出現的問題和實際控制要求，提出了基于現場總線控制技術的煤礦井下供電設備自動監測系統設計方案，該供電設備自動監測控制系統具有結構簡單、功能齊全、擴展性好、自動化程度高等一系列的優點，很好地解決了各井下供電設備監控單元與中央控制系統的信息交換、數據處理不及時等問題，實現了井下供電設備的集中監控及控制，該設計方案使井下供電設備系統的安全性和可靠性得到極大提升。

[1] 徐穎秦，沈艷霞，紀志成.基于網絡通信的變電站數字視頻遠程監控系統研究[J].中國電力，2005，38（6）：77-79.

[2] 夏德海.現場總線技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3] 徐穎秦，潘豐.基于World FIP總線的煤礦電網節能性監控系統

[J].工況自動化，2008（2）：68-70.

[4] 朱全印，高保衛.煤礦電網監測監控系統的設計和應用[J].煤炭科技·機電與信息化，2009，35（9）：68-70.