基于PSC技術煤礦井下供電安全監控系統研究

文/黎望懷 常浩 夏旭 李禹 陳娟（湖南安全技術職業學院機電信息學院）

1.引言

我國安全生產形勢逐年向好，但煤礦安全事故頻發的嚴峻形勢依然存在。2018年6月由工業和信息化部、應急管理部、財政部、科技部聯合出臺的《關于加快安全產業發展的指導意見》的工作目標指出：突破一批保障生產安全、城市公共安全的關鍵核心技術，研發一批具有國際先進水平的安全與應急產品，推廣應用一批“機械化換人、自動化減人”的安全技術裝備。這一目標的提出對煤礦井下供電系統的安全性和穩定性提出了更高的要求。

煤礦井下的智能化設備和智能化控制的應用程度不斷提升，對于井下的供電系統和通訊系統提出更加嚴格的要求。串口通訊以其成本低的特點，在目前工業控制網絡中應用非常廣泛；但隨著煤礦開采難度的提升，通訊數據量急劇加大，顯現出其速率低、延遲高的不足；并且不同廠家和型號的保護器存在兼容性、抗干擾能力差的問題。本文提出的PSC可編程串口控制器，是由廣東羅爾科技有限公司研發的針對工業RS-485總線通訊的專門設備，具有組態、控制、編程和通訊等多種功能。引入PSC技術可以有效解決煤井現場不同保護器通訊協議的覆蓋性問題，構建井下供電監控系統，滿足用戶使用安全穩定的需求。[1-3]

2.PSC與現場設備通訊原理

現場通訊設備隨著智能化程度的不斷提升和發展，其控制網絡也隨之變得更加復雜。由之前的單機或者幾臺設備發展到成百上千設備的應用，這些設備的通信給傳統的串口通信帶來的巨大的挑戰，容易導致通訊速率低、通訊時間延遲長等缺點。[3]傳統的串口通信方式為半雙工應用方式，是通過一個主機帶多臺從機的方式進行，按照地址順序進行應答處理等進程，采用的是輪詢通訊處理，因此如果設備儀表較多，會導致通訊速率低的問題。傳統的RS485 通訊模式每個總線上的分機都賦予相應的地址，計算機按照一定的地址順序對各個設備進行聯系。在正式進行通訊之前，計算機需要對所有的設備發送請求幀，分機接受到請求幀后發送應答幀給計算機，計算機收到應答幀后便可以進行相應的通訊。在整個過程中，計算機與每個地址分機之間的上述通訊需一對一按次序循環進行。因此，如果存在分機較多的話，系統數據輪詢一次的時間就會大大增加，導致通訊速率低下，這在實時性要求高的的系統中是絕對不允許的。[4]

為了改善通訊速率低的問題，可選擇在計算機和分機之間安裝由一個主中央處理器模塊和多個通訊子中央處理器模塊組成的設備。每個設備通訊模塊中都有自己的中央處理器和緩存，可以獨立進行工作，主中央處理器可以通過內部的高速總線對子模塊的緩存進行數據讀取，并將數據通過以太網傳輸給計算機。在計算機和分機之間不進行通訊時，此設備繼續和分機之間進行數據通訊，并將相關的通訊數據存儲在其設備緩存中，在計算機發出通訊命令后，可以通過以太網迅速將數據成批發給計算機，從而大大降低系統數據的刷新時間。這就是PSC技術解決串口通訊延時高和速率低難題的原理。[5]

3.基于PSC技術煤礦井下供電安全監控系統概述

煤礦的供電安全監控系統一般分為綜合監控信息管理層（地面調度中心）、信息處理與監控層和現場控制層三層結構。其中現場控制層以髙速智能可編程串口交換機（控制器）技術研究為背景，搭建基于PSC技術的煤礦井下供電監控系統，可覆蓋現場種類和通訊協議繁多的綜合保護器。

PSC 的構架核心為ARM處理器，其組成包括5個模塊：存儲器模塊、電源模塊、狀態顯示模塊、上位機通訊模塊、RS-485串口總線接口。其中：存儲器模塊用來存儲由上位編程軟件平臺下載的程序；電源模塊用于為PSC 提供電源支持；狀態顯示模塊通過LED燈反饋PSC工作狀態；上位機通訊模塊用于編程軟件和組態的軟件，網絡通訊和串口通訊之間的連接； RS458串口總線接口用于與現場的各個控制設備連接，連接上位機則以通過以太網的方式。

在實際的供電監控系統建設和運行中，由于來自綜合保護器的輸出信號不能確定是否為本安信號的情況，因此不能通過對其進行關聯實驗確定其本安特性，因此按照煤礦安全的規章要求在非本安信號和本安設備之間安裝一個RS458信號隔離器進行信號隔離處理。[6]

基于PSC技術的供電監控系統可以實現：(1)在地面或者井下任意一個可以連接到環網網絡的地方實現對整個系統的監控控制。(2)采用本安型電力監控站，使用防爆兼本安不間斷電源進行系統供電，具有掉電保持功能。(3) 地面和井下都可以通過計算機輸入設備進行控制，從而實現對供電系統的遙測、遙信、遙控、遙調、遙視的“五遙”功能。(4)可覆蓋現場種類和通訊協議繁多的綜合保護器，實時讀取開關運行狀態和運行參數，控制開關分合，調整開關整定值。（5）運用多線程并行處理技術，可以高效實現數據更新和命令的執行實時性。

4.基于PSC 技術煤礦井下供電安全監控系統的應用

基于PSC 技術煤礦井下供電監控系統的應用結合了國家安全監管監察綜合實訓基地的模擬巷道實際供電監控系統來進行，旨在對PSC 技術應用的可行性進行驗證。該模擬巷道供電監控系統包括中央變電所在內的多個變電所，所使用的綜合保護器的種類比較多，產品的生產時間跨度比較大，其中有安華順誠DSP一臺，支持點對點通訊的安華順誠SDZBW6/10.73C、SDZB-W6/10.73C-GZ共2臺。高壓開關為無錫昌盛生產的PBG 系列礦用隔爆型高壓配電裝置，配置的高壓饋電綜合保護器均支持RS485 串口通訊。低壓開關多數為八達電氣和浙江恒泰生產，其中配置有八達電氣ZNBH-Ⅱ和淮南萬泰KB-400 綜合保護器，均支持RS485通訊。驗證操作前對現場應用的每種設備的通訊協議進行了測試和相關資料的整理，找出所有相關的通信協議。PSC作為現場控制器，不依賴于上位計算機和以太網，是真正的雙層控制網絡架構，與上位機通訊數據傳輸速率可達100M，從地面下達指令到現場設備執行反饋及報警故障反饋時間均有大幅度的縮短。通過多次仿真試驗和模擬巷道井下現場試驗，基于PSC的煤礦井下供電監控系統運行穩定，實現了控制要求，有效解決了現場串口總線通訊在中、大規模應用中速率低、延時長的問題。[7]同時，由于其通訊協議兼容性好，現有的多種廠家品牌的綜合保護器設備能夠繼續使用，大大節省了供電安全監控系統的改造建設成本。

5.結語

本文針對傳統煤礦井下供電安全監控系統中存在的通訊效率低下問題展開研究，通過PSC技術的應用，實現對各個供電回路的監測監控，保證電網的安全供電，實現安全事故的提前預警、記錄與故障分析，開關定值參數計算及過程整定，從而快速進行故障定位，實現變電所的無人值守，最終實現煤礦電網的數字化、智能化，確保安全生產的順利進行。本文的研究將進一步提升煤礦的自動化程度，達到安全生產、減員增效的目標，并搭建基于PSC技術的煤礦井下供電監控系統，實現對煤礦供電系統的安全監控，具有重要的理論價值和現實意義。[8]

通過對PSC 技術在煤礦井下供電安全監控系統中的應用，可以看出PSC 技術對于傳統的串口通訊效率改善明顯。本文提出的創新之處主要包括以下三方面：

（1）針對傳統串口通信控制方式的不足，利用高速智能PSC技術進行研發改進，有效的提高井下供電安全監控系統的穩定性、安全性；

（2）改變傳統串口通信過程中的以輪詢為主的處理方式，采用并行處理的方法，提高安全監控系統的效率；

（3）將被控設備進行分批，實施批量通訊，解決了現場串口總線通訊在中、大規模應用中速率低、延遲時間長的問題，同時，還解決了不同通訊協議設備的兼容性問題。