礦用高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

武志勇

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城048214）

引言

供電系統(tǒng)作為煤炭井下工作面工作開展的重要保障，供電設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[1]。高壓真空配電裝置的主要作用是電能分配，其工作可靠性關(guān)系著煤礦井下供電的安全[2]。近年來，隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加，供電系統(tǒng)安全性要求不斷增加，高壓真空配電裝置工作負(fù)荷不斷提高[3-4]。因煤礦井下工作環(huán)境較為惡劣，供電負(fù)荷要求大，供電監(jiān)測技術(shù)實施存在明顯的困難，高壓真空配電裝置因故障不能及時排查引起的事故數(shù)不勝數(shù)[5-6]。因此，針對某煤炭企業(yè)井下移動變電站高壓側(cè)配電裝置故障信息不能及時獲取的問題，開展高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)設(shè)計工作具有重要意義。

1 高壓配電裝置常見故障統(tǒng)計分析

煤礦工作面的高壓配電裝置經(jīng)常出現(xiàn)故障問題，經(jīng)統(tǒng)計分析，高壓配電裝置中的機(jī)械故障占斷路器總故障數(shù)的近一半左右，在控制與輔助電路中的電氣故障約占總故障數(shù)的30%。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，斷路器故障包括兩類，其中操作機(jī)械故障約占四成，主電路電氣故障約占一成，輔助回路中的電氣故障約占三成。針對煤礦井下高壓真空配電裝置的眾多故障問題，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，分析了故障原因，明確故障需要檢測的物理量。只有故障檢測信息合理，才能設(shè)計出好用的故障識別系統(tǒng)。因此結(jié)合實際高壓配電裝置工作條件，確定了需要的監(jiān)測狀態(tài)量有位移信息、振動信息、線圈電流等七種。

2 方案設(shè)計

根據(jù)高壓真空配電裝置常見故障及其原因分析，結(jié)合實際工作條件，完成了高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)的方案設(shè)計，主要包括下位機(jī)、上位機(jī)、傳感器等。如圖1給出了數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)方案架構(gòu)，可以看出，下位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要是各種傳感器，負(fù)責(zé)高壓真空配電裝置運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲。傳感器涉及壓電加速度傳感器、拉線位移傳感器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器等。上位機(jī)系統(tǒng)主要涉及故障數(shù)據(jù)信息的處理、識別、以及各種診斷算法的實現(xiàn)。

圖1 數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)方案架構(gòu)

3 硬件設(shè)計

3.1 傳感器選型

傳感器作為故障識別系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)來源，其選型是否合理至關(guān)重要，選型時需要綜合考慮傳感器的使用環(huán)境、滿量程等因素，它們關(guān)乎檢測數(shù)據(jù)的精度。基于上述設(shè)計方案完成了相關(guān)傳感器的選型，具體內(nèi)容如下：選用型號為CSM030SY的霍爾電流傳感器，選擇型號為VSM200D的霍爾電壓傳感器，拉線位移傳感器的型號為YHL50，壓電加速度傳感器的型號為LC0159。上述傳感器具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和精度保持性，足以滿足高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)的要求。

3.2 下位機(jī)設(shè)計

故障識別系統(tǒng)的下位機(jī)主要用于采集供電裝置運(yùn)行時的振動信號、位移信號等，對采集得到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分類處理，將其分配至不同的存儲空間，之后分別發(fā)送至系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行實時顯示。結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)至少需要10路信號采集，要求采樣精度高、采樣數(shù)據(jù)量大，至少需要選擇RAM存儲器內(nèi)存在512 kB以上。需要配置多種通訊模式，滿足信號數(shù)據(jù)的實時顯示。基于上述分析結(jié)果，選擇型號為TMS320F2812的CPU，滿足存儲配電裝置所有動作信號的要求。

3.3 上位機(jī)配置

上位機(jī)作為高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)中的重要組成部分，承擔(dān)著實時數(shù)據(jù)的顯示，供監(jiān)控人員及時了解其運(yùn)行狀態(tài)。同時，監(jiān)控人員也可以根據(jù)實時運(yùn)行狀態(tài)確定需要發(fā)出的控制指令，實現(xiàn)高壓真空配電裝置實時監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制。故障識別系統(tǒng)的上位機(jī)選擇型號為ARK3202的工控機(jī)，該工控機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如功耗低、接口多等，滿足煤礦井下較為惡劣工作環(huán)境中的工作要求。上位機(jī)與下位機(jī)之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)接口使用RS485，供電電壓取自煤礦井下AC127V供電線路。工控機(jī)的具體安裝示意圖如圖2所示。

圖2 工控機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 軟件設(shè)計

4.1 信號采集程序設(shè)計

結(jié)合礦用高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)的方案設(shè)計及系統(tǒng)設(shè)計要求，編制了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程圖，如圖3所示。系統(tǒng)工作時上位機(jī)發(fā)出采集命令，系統(tǒng)啟動數(shù)據(jù)采集時關(guān)閉通行中斷程序，停止通信程序運(yùn)行。數(shù)據(jù)高速采集完成也要關(guān)閉采集中斷程序，等待數(shù)據(jù)采集指令。該數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計，平時數(shù)據(jù)采集不進(jìn)入AD采集模塊，極大地降低了CPU的能源消耗，上位機(jī)能夠很好地控制數(shù)據(jù)采集的開始時間。

圖3 信號采集程序

4.2 通信程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集程序完成啟動通信中斷，等待上位機(jī)指令，依據(jù)上位機(jī)的指令完成數(shù)據(jù)的分段打包傳輸。礦用高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)通訊程序流程如圖4所示。由圖4可以看出，在程序不進(jìn)行AD采集工作時，需要啟動通信中斷程序。上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)輸送指令，下位機(jī)執(zhí)行上位機(jī)的控制指令，若不能及時收到數(shù)據(jù)輸送指令，就會發(fā)出配電裝置數(shù)據(jù)，讓上位機(jī)及時知道設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

圖4 通信程序設(shè)計

4.3 上位機(jī)程序設(shè)計

礦用高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)上位機(jī)程序流程如圖5所示，上位機(jī)參照收到的數(shù)據(jù)采集命令決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則需要發(fā)出采集命令，之后接收系統(tǒng)狀態(tài)信息。假如高壓配電裝置存在分合閘的動作，則可以發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，開啟下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速采集。高壓配電裝置的分合閘信息數(shù)據(jù)分類存儲至上位機(jī)，并將數(shù)據(jù)波形在顯示器上顯示。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

5 應(yīng)用效果評價

為了驗證礦用高壓真空配電裝置故障識別系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性，將其應(yīng)用于煤礦高壓真空配電裝置進(jìn)行試運(yùn)行，并跟蹤記錄3個月的運(yùn)行情況數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足煤礦高壓真空配電裝置故障識別的要求。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，故障識別系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠很快識別故障出現(xiàn)的位置和類型，給出對應(yīng)的故障出現(xiàn)策略。提高了煤礦高壓真空配電裝置故障排除效率，相較于原系統(tǒng)，減少了2~3名運(yùn)行維護(hù)人員，減少了近15%的故障停機(jī)時間，降低了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近60萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。