礦山機械設備自動化供電系統可靠性思考

陳 松

（山西高河能源有限公司， 山西 長治 047100）

引言

近年來，由于我國礦山開采技術的不斷進步，為了滿足日益增長的礦產需求，各煤礦企業開始不斷提升采礦設備的機械化、自動化水平，大功率的礦產傳送設備、采礦設備、制動設備、通風設備等被不斷應用，導致了礦山機械設備的供電系統工作負荷急劇增加，這些供電設備很多為獨立的工作站，結構復雜、可靠性差、反應速度慢，無故障診斷、自動控制功能，無法對礦山機械設備的供電情況進行實時監控、調配、管理，極不利于礦山供電系統的安全、穩定的運行。

為了提高整個礦山機械設備供電系統的安全性、可靠性以及自動化程度，提出了基于總線技術的智能控制、嵌入式系統、工業控制計算機的供電自動化管理系統，該系統的實現對各個機械設備的供電系統進行集中控制、管理，實現基站的無人控制，大幅提高供電系統的安全性和可靠性，改善礦山供電系統的管理水平[1]。

1 自動化供電系統整體結構設計

為了實現對礦山所有機械設備供電系統的集成控制，自動化供電系統應該具有以下關鍵功能。

1）遠程遙控功能。該功能要求自動化系統能夠實現對電壓、電流等各種模擬信號的采集并且上傳到集中控制系統，當集成控制系統接受到反饋信號后根據指令發出控制命令，控制各對象執行總線系統發出的控制指令對電流、電壓、短路倍數，過載能力等進行控制。

2）直接顯示功能。該功能是指對監控系統監控到的監測信號等進行實時的顯示，能夠讓控制人員直觀地了解到各設備的電氣控制系統的實時工作情況和狀態。

3）斷電記憶功能。當各系統發生故障時，集中控制系統能夠在第一時間給出控制指令，中斷其工作，為了便于工人能夠在第一時間查找故障原因并快速修復，要求控制系統能夠自動的記錄故障發生的時間、地點、故障現象等。

4）采用標準化接口及擴展功能。為保證集中控制系統具有良好的適應性及后期升級能力，要求其采用標準接口及擁有強大的擴展功能，以便其能夠很好地適應設備增加、增加監控點等[2-3]。

根據自動化供電系統所需要實現的功能，其集中控制系統主要由集中控制中心、各設備分控制站點、數據傳輸網絡、現場監控系統，其構成示意圖如圖1所示：

圖1 集控系統結構示意圖

控制人員通過集控中心的工控機及相應的監控軟件能對礦山中所有機械設備的供電系統的工作情況和狀態進行實時的監視與控制，圖1所示的數據網絡是連接集控中心與各設備供電系統的通道，為保證數據、信息傳遞的迅速、準確，我們采用開發的數據總線標準，網絡的傳輸介質采用的是光纖材質，其波特率可以達到14Mbit/s，能夠高效地滿足集控系統快速、準確響應的要求，同時由于在設計時即采用了冗余技術，提高了網絡數據通信的可靠性。

整個控制網絡由光纖系統、光電傳感器及網關組成，光電傳感器主要用于各分系統所采集信號的匯入，網關主要是統一的管理每一個節點，同時與集控中心進行實時的數據交換。各個信息集成分站主要由PC端，協議轉換器及其他外圍設備構成，它們不間斷的與各點位的監控系統進行信息交換并將收集到的信息進行初步的匯總分析，然后傳遞給集控中心，同時各分站點也在不斷地接受集控中心的控制指令，并將控制指令轉換為模擬控制信號傳遞給現場的監控系統，進行實時控制。現場的監控系統是對設備供電系統進行直接監控、調節、保護的設備，不間斷地檢測設備的運行情況，實時采集運行數據并傳遞各信息的分站點，當其接受到集控中心的控制指令后直接進行控制操作，使電控設備按照集控中心的指令進行運行[4]。

2 集控系統主站點的設計

集控系統主站點的主要作用是對從各分站點匯總到的信息進行分析、運算和交換，最終通過屏顯功能對整個礦山機械設備的供電系統進行統一的控制和管理，它主要由工控機（1臺為備用設備，當主運行工控機出現故障時能夠立刻啟動備用設備，實現無縫控制，確保整個控制系統的安全可靠）、電源設備、網卡等組成，其結構組成如圖2所示。

圖2 集控系統主站結構示意圖

集控系統主站中控制系統我們可以選擇Win7操作系統，監控設備的控制系統可以選用IFIX動畫控制軟件，其可以將監控信息以動畫或者選定的圖片形式直觀而清晰地顯示在屏幕上，控制人員直觀地了解整個設備供電系統的運行狀態和情況，監控系統與設備的信息交流通常利用監控軟件與OLE過程控制技術，其主要特點是把不同設備供應商之間的通訊接口進行標準化，讓不同設備間的信息、數據交換更簡單、方便，便于后續設備的擴展及增加功能。

3 自動化供電系統分系統結構設計

自動化供電系統分系統的主體結構主要由通信協議換置器、外圍系統、光電設備及PC系統組成，如圖3所示，分系統主要是負責不間斷地收集其控制的設備現場實時監控數據，然后把這些數據轉換成協議約定的傳輸格式并通過Decentralized Periphery網絡傳遞給中央主控系統，最后根據主控系統發出的控制信號進行控制操作[5]。

圖3 自動化供電系統分系統結構示意圖

因安全設計要求，礦山常用的電壓為127V/660V的低壓電源，因此在對各分監控點的分站點進行電源選擇時，優先選用127 V/220 V、容量為2 kVA的單相變壓器，以便將127 V的電壓轉換為220 V，并通過USP電源對系統進行供電。

礦山設備工作環境極端惡劣，為了確保分系統的穩定、可靠性，需要選擇利用防爆式的嵌入式PC及無縫觸摸屏結構作為分系統的顯示端，觸摸屏的顯示信號需要從PC端的輸出模擬信號的接口進行信號的輸出[6]。

控制現場的智能控制系統所收集到的實時數據通過標準協議接口傳遞給計算機單元，其作為網絡主站而現場的監控單元可視為整體控制結構的分單元，在系統控制網絡中，為了保證通信的可靠與穩定通常采用具有電磁防護功能的雙絞線作為信號通信線路，為了縮短控制及響應時間，總站控制系統與分站控制系統之間的網絡連接盡可能地采用直線連接，以縮短彼此之間的距離，縮短控制系統的響應時間。

為了避免計算機與分站電路之間的電磁信號不相互干擾，需要在計算機的入口段增加一個光電耦合器，把計算機及分站電路隔離開來，以保證整個控制系統工作的可靠性與穩定性，同時為確保信號在傳輸過程中的集中性，通常采用在控制總線的末端增加緩存電阻，用來壓制線路中產生的諧波電流，提高信號傳輸的集中性。

自動化供電系統分系統軟件方面同樣采用Win7控制系統，監控設備的軟件可利用VC++6.0工具及通信控件來實現。

4 結論

本文提出基于現場總線的煤礦自動化供電系統的智能自動化控制方案，可以很好解決目前礦山供電設備結構復雜、可靠性差、反應速度慢、無故障診斷、無自動控制、無法對礦山機械設備的供電情況進行實時的監控、調配、管理的難題，對礦山機械設備供電系統安全性可靠性的提升具有重大意義。