基于電力載波的礦井排水監控系統的應用

田曉波

（山西潞安郭莊煤業， 山西 長治 046100）

引言

煤炭資源是人類經濟社會發展的支柱性能源資源，隨著煤炭開采技術的不斷進步，煤炭資源的開采地質條件越來越復雜，發生透水事故的概率也越來越大，因此井下排水系統的可靠性直接關系到煤炭生產企業的生產安全。雖然井下排水自動化控制系統發展迅猛，但對大多數采齡較長的煤礦來說，其井下排水設備及控制線路最初布置時缺乏規劃，各排水系統布置分散，井下積水區域的水位變化情況和各排水裝置的運行情況完全依賴于人工操作控制，工人勞動強度大，由于煤礦井下的工作條件惡劣，各電纜設備布置復雜，無法對現有科技條件下的煤礦井下自動排水系統進行改造[1]，因此迫切需要研究一種能夠利用現有井下的電纜和通訊系統，以較小的改造代價來實現對煤礦井下各獨立、落后的排水裝置進行自動化和信息化改造，提高其自動化程度和工作時的可靠性。

1 基于電力載波的礦井排水監控系統

基于電力載波的礦井排水監控系統如圖1所示，該系統將電力載波控制模塊設置在排水系統控制單元的電控箱內，利用標準協議接口與各通訊單元和監控分站及局域控制網絡相連接，監控分站監測各積水區域的水位水情狀況，利用電力載波系統和局域控制網絡形成網絡無差別控制，若在巷道內沒有設置工業以太網絡則可將現有的電壓供電網絡設置為載波通信組網系統，把其中的主供電線路利用電力載波和轉換器設置為該區域的網絡控制主站點，在此處完成對本區域的水位水情和排水設備運行情況參數的整合[2]，然后利用電力傳輸網絡或者工業以太網絡將其傳送到地面控制中心，實現對井下各排水設備的遠程監測與控制。

圖1 基于電力載波的礦井排水監控系統結構示意圖

在該系統中需實現對各積水區域排水控制系統之間水位水情的互聯互通，通過電力載波或者工業以太網絡實現對任意網點水情數據的監測，同時還需要建立地面控制中心和煤礦井下水情監控、設備運行控制系統之間的雙向通訊。

2 煤礦井下電力載波聯網控制系統

電力載波通訊是電力傳輸系統所特有的一種通信方式，電力載波通訊是指利用現有的電力電纜線，利用載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術，其最大的優點是不需要重新布設網絡系統，只需利用現有的電流傳輸系統即可實現數據信息的通訊和傳輸。

電力載波聯網通訊[3]結構原理如下頁圖2所示，各監控單元監測到的數據信息通過發射端的串口發送到電力載波控制芯片，芯片接收到數據信息后首先對其進行PSK相移鍵控的解調和偽隨機碼的擴頻解調，然后由芯片的數據輸出端口將解調后的電力載波信息傳遞到外電路的濾波器處進行信號濾波處理并對信號進行功率加強處理，最后由電力耦合電路把增強信息的電流載波信息耦合處理后發送到電力載波信息傳輸通道內，進行數據信息的傳輸。在該電力載波聯網通訊模塊的數據信息接收端口，首先對接收到的控制中心傳輸的控制信號進行解耦處理，然后利用濾波處理電路對接收到的數據進行限幅、降噪和調制處理，將其還原為原始的控制信號，最后經過串口通信端的數據輸出完成整個控制信息的傳輸任務。在該電力載波聯網通訊單元中，其創造性地把電力載波的通信及調制解調電路進行了集成，在實際工作時只需要將事先處理后的控制程序輸入內部儲存中心即可完成既定的控制通信，具有極大的操作彈性和靈活性，能夠滿足水情監測、數據通信等，并且能夠滿足對后期排水設備升級改造的數據通信需求。

圖2 電力載波聯網通訊結構原理圖

3 電力載波聯網控制系統的試驗驗證

煤礦井下電力載波聯網控制系統測試原理如圖3所示[4]，該測試的原理是利用示波器對各個電力載波控制單元不同點的數據傳輸情況進行測試，判斷數據信息在電力載波系統中傳輸的及時性和穩定性。

圖3 電力載波聯網控制系統測試原理圖

煤礦井下電力載波聯網控制系統的現場測試如圖4所示。

圖4 電力載波聯網控制系統測試現場圖

由圖4可知，以計算機作為主控單元并設置一臺模擬自動排水監控分站，通過利用計算機電源線發送電力載波通訊信號，要求監控分站返回水位監測，在電力載波傳輸過程中其數據幀串口通過通信模式進行發送，電源通信線路由系統自帶的電源轉換裝置構成，在模擬排水監控分站將模擬水情信號利用相同的載波通信模式返回給主站，計算機接收到返回的模擬信號后將數據在界面上進行顯示，完成模擬實驗，其測試結果如圖5所示。

圖5 計算機接收到的模擬信號視圖

由圖5可知，系統在數據信息的發送與接收過程中保持了較高的穩定性和連續性，能夠較好地滿足監控系統的數據通信與控制任務。

4 結語

煤礦井下排水系統作為確保煤礦安全生產的核心，對確保煤礦井下的安全生產起著十分重要的作用。由于井下環境惡劣，各種管線排布錯綜復雜，很難通過更換全新的監測、通信、控制系統來完成井下排水監控系統的智能化改造，所以提出了一種基于電力載波的礦井排水監控系統，該系統可直接采用煤礦井下現有的排水控制系統的通訊線路，同時通過現場總線將各監控分站的排水設備進行連接，實現了網絡互通。該系統的應用以最小的代價實現了對煤礦井下排水監控系統的升級改造，極大提升了煤礦井下排水控制系統的自動化程度和安全性。