煤礦電力監控系統的研究與分析

張 楠,劉 偉

(山西大同大學 機電工程學院,山西 大同 037009)

煤礦工業在我國能源領域仍占據主導地位,伴隨著采煤方式機械自動化程度的不斷提高,煤礦供電系統的穩態運行及監測監控的時效性顯得至關重要。但是，煤礦井下供電及電氣設備的故障問題時有發生,究其原因,主要是安全問題的重視力度不夠，供用電設施的陳舊、類別的繁雜，以及對煤礦井下電力系統的監測監控不及時,無法得到一些設備運行方面的可靠信息[1-2]。綜上,煤礦需要健全完善的電力監測監控系統,實現對各電力運行參數的有效監測監控,使整個系統更加現代化、智能化。

1 系統整體結構設計

煤礦井下的電力監控系統主要有三層結構[3-5]。第一層是電力監控主站。第二層由煤礦井下部分的通信計算機設備以及網絡設施組成,通過通信方式完成信息的交互共享。通信分站的主要目的是為了完成上級主站與下級監測站之間的信息交互,并基于以太網的形式,采取ARM微處理器進行數據通信,在底層監測使用RS-485來進行原始監測數據的傳輸。總而言之,通信分站整體上完成對信息數據的轉換工作。第三層是綜合保護信息采集裝置，主要采用數字化的手段,實時對井下各類測量點位的電氣參數進行采集,同時具備各類綜合性保護功能。煤礦井下電力監控系統整體結構如圖1所示。

圖1 煤礦井下電力監控系統整體結構Fig.1 Structure of underground power monitoring system in coal mines

如圖1所示,電力監控的設計主要是為了對煤礦井下各個運行設備進行有效的監測以及監控,并進行保護和管理,一定程度上提高了生產效率以及事故預警的能力。

2 系統的硬件設計

2.1 電力監控系統地面主站的硬件設計

煤礦電力監控系統地面主站在硬件方面主要由數據服務器、監控站臺和通訊服務器三部分組成。而地面主站系統主要采用B/S/C(Browse/Sever/Client),亦即瀏覽/服務/用戶的三層結構形式[6-7],如圖2所示。

圖2 地面主站系統的基本結構Fig.2 Basic structure of ground master station system

2.2 電力監控系統地面分站的硬件設計

對于整個系統的通信分站部分而言,為了完成承上啟下的信息交互功能。擬采用“ARM+以太網控制芯片”的設計方案,通過ARM內嵌設置再加之TCP/IP等基本的通信協議來有效地完成RS-485、CAN總線與以太網間的通信。另外,分站系統硬件方面的框架結構主要由ARM處理器、供電電源電路、以太網電路以及各類轉換接口等組成。分站亦可進行一些通信協議的轉換,這在一定程度上改善了系統整體部分在兼容方面的性能,通信分站系統的硬件基本結構如圖3所示。

圖3 通信分站系統的硬件基本結構Fig.3 Basic hardware structure of communication substation system

2.3 電力監控系統綜合保護信息采集裝置的硬件方案

電力監控系統的綜合保護信息采集裝置主要采集底層信號,在電路采集和控制部分以光電隔離的形式實現對井下強電磁干擾的抑制。與此同時,使用“FPGA+ARM”結構,由FPGA模塊對數據采集控制,用ARM完成數據信息之間的通訊及各個操作命令之間的執行和解釋,二者分工合作[8]。井下電力監控綜保裝置整體方案框架如圖4所示。

圖4 井下電力監控綜保裝置整體方案框架Fig.4 Overall framework of underground power monitoring and comprehensive protection device

圖4中,光電隔離模塊的對接,不僅對后方電路進行保護,同時也起到了抗干擾以及隔離的作用。對于A/D的采樣工作由FPGA模塊控制,一定層面上提高了信號采集的準確度。另外,主控制器采用32位模式以ARM為內核芯片,目的是為了通信以及命令之間的執行解釋,通過內置的操作系統完成信息通訊的功能。總之,整個綜合保護信息采集裝置可以有效地完成井下各類電氣參量以及開關模擬量的采集、控制和監測。

3 系統的軟件設計

煤礦電力監控系統的通信分站作為整個煤礦運行系統的關鍵部分之一,主要是為了能夠有效地完成地面主監控站與底層監測分站及保護裝置之間的信息交換,達到及時傳遞信息的目的,進而對系統出現的一些故障、異常信息進行及時有效的處理與分析。

3.1 電力監控系統地面主站的軟件設計

在地面主站的系統軟件方面分為系統型和應用型兩大類。系統型由操作類部分和數據庫等構成；而應用型則是基于VC6.0運行環境,涵蓋應用程序模塊、通訊模塊和組態工具等。地面主站系統的基本功能結構如圖5所示。

圖5 地面主站系統的基本功能結構Fig.5 Basic functional structure of ground master station system

在數據采集上,使用MODBUS等通訊協議,有效地提供了動態性的通信接口、組織網絡以及相關的數據信息點等實用功能。通訊的前置子系統與通信的管理機設備進行信息交互,實時地更新數據庫,同時也為人機監控畫面儲備了一定的數據,而且通訊的前置子系統和內存數據庫之間的通信均是基于以太網的基礎,也使通訊之間具備了容錯效能、足夠容量以及相對高效率的傳輸速率。

在組態設計方面,對于本系統來說,其功能組態主要由三部分內容構成：一是人機監控畫面的組態；二是數據報表的組態；三是通訊結構和數據信息表的組態。在監控畫面所使用的組態上,選用標準化的圖元結構、儀表盤以及函數曲線等相關的圖形元素,結合人為地對于所設計元件的顏色定義等,設計建立一個實時動態反映各電氣設備及元件的運行狀態畫面；同時，提供基本的人機交互操作畫面。在數據報表的組態層面上,其操作過程與Excel的操作極為類似,操作用戶可以根據當下的實際需求來設計規劃實際的契合內容,同時,報表的組態也提供最值以及平均值等多種常用的統計功能。通訊結構和數據信息表的組態主要進行一些通信接口參數的整定、通信介質的選擇以及相關數據表的屬性設置等。

地面主站軟件方面的整體框架主要由通訊管理、實時監控畫面、組態工具、數據庫和參數庫管理共同構成一種監控的組態平臺,有效地完成對井下采集信息的及時反映與處理,如圖6所示。

圖6 地面主站系統的基本結構框架Fig.6 Basic structural framework of ground master station system

3.2 電力監控系統通信分站的軟件設計

在通信協議層面使用uIP協議,支持多個連接模式,占用內存較少,具有獨立性,節約空間。uIP協議與其他層間的關系如圖7所示。

圖7 uIP協議和其他層之間的關系Fig.7 Relationship between uIP protocol and other levels

在RS-485與以太網之間轉換的網絡層面采用上行模式和下行模式,并基于μC/OS-Ⅱ系統之上,使用TCP協議傳輸。在上行模式中,RS-485接收到數據進入中端,并以uip-periodic()來進行通信,最終完成傳送;在下行模式中,網絡端口中斷并接收到信息之后,分析信息數據向RS-485發送,其大致流程如圖8所示。

圖8 RS-485和以太網之間的轉換大致流程Fig.8 Conversion process between RS-485 and Ethernet

在uIP事件處置方面,不斷地重復調取uip-polling()來處理事件內容,具體流程框架如圖9所示。

對分站主監控系統的軟件運行流程如圖10所示,主要涵蓋上電自檢、顯示界面以及通信處理等方面的功能。

中斷處理運行的時候，經由事件管理器之中的定時器來進行觸發動作,并且將次序設置為最高級,以避免被其他任務誤入。主監控中斷處理的流程如圖11所示。中斷處理主要是為了完成數據信息的采集處理、以太網的通訊以及故障狀態的判別等。

當分站系統收到下層站臺或者上層主站站臺的通訊信號時,通訊接口會按照協議的規定發送信號,主監控系統通信模塊的流程如圖12所示。可以看出,通信接口的控制程序采取上下雙層結構,上層部分作為即時檢測信號接收的發送標志,下層部分則負責其他站臺數據信息的接收,雙層結構分工合作,完成通訊數據的接收與發送。

圖9 uIP基本事件的處理流程Fig.9 Processing flow of uIP basic events

圖10 主監控系統軟件的流程Fig.10 Software process of master monitoring system

圖11 主監控中斷處理的流程Fig.11 Interrupt processing flow of master monitoring system

圖12 主監控系統通信模塊的流程Fig.12 Process of communication module of master monitoring system

4 結論

本文設計的煤礦電力監控系統分為主站、從站和底層監控分站三個部分。監控主站的硬件部分主要涵蓋數據、通信以及監控模塊的設計。底層監控分站的硬件設計主要采用“FPGA+ARM”雙CPU設計理念。監控主站軟件方面以VC6.0為工作環境,通過組態軟件實現對下級上傳的數據讀取,在通信分站的硬件中,底層監控分站軟件方面以μC/OS-Ⅱ為工作環境,依靠RS-485和以太網進行有效地信息傳送。綜上，對煤礦井下電力監控系統的硬件和軟件方面進行了基本的框架結構設計,從理論層面上實現了對井下電力網絡監控監測系統的研究與分析。