煤礦井下供電監測系統設計

陳耀輝，馬星河

（1．平頂山天安煤業股份公司十礦，河南 平頂山 467000；2.河南理工大學，河南 焦作 454000）

隨著現代化礦井自動化、信息化水平的不斷提高，煤礦的供電網絡規模越來越大，井下運行環境更為復雜。由于煤礦井下負荷布局復雜，工作環境比較惡劣，導致在井下運行工作時存在安全隱患，也經常因為這些不穩定因素產生停送電時間較長等故障，從而對整個煤礦的安全生產產生嚴重的影響。本文設計的井下供電監測系統可解決并優化這一問題，實現煤礦井下的安全可靠運行。

目前，井下監測系統遠程控制能力差，并且在很多傳統礦井中，依然需要人工定時檢修，效率低下，且不能做到實時監測。本文設計的煤礦井下供電監測系統，能夠有效提高井下供電的自動化水平，提升煤礦的安全生產水平。

1 系統結構設計

作為整個煤礦綜合自動化系統中的一部分，煤礦井下供電監控系統在設計時須兼顧多個方面：第一，確保系統在井下可靠地運行；第二，系統借助網絡通信技術進行數據信息的傳輸；第三，考慮到后期系統結構的擴展，應預留軟、硬件接口。

在設計系統時充分考慮上述情況，設計出一安全可靠，其先進性和拓展性具備的煤礦井下供配電監控系統[1]。

本系統主要由以下3部分組成：

井下監控分站。包含井下監控終端設備，負責井下設備的數據收集、分析，并將實時數據傳輸至地面監控主站。

地面監控主站。由各服務器組成，任務是對數據的處理。對煤礦供電系統的數據進行統計分析，并對井下發送指令。

通信系統。負責承擔煤礦井下供電監測系統中各部分運行狀態的實時通信的功能。

系統結構如圖1 所示。地面監控主機通過光纖接入服務器，實現對數據的處理與分析。煤礦井下設備的各電控站通常是利用采用485 總線和以太網通信技術來實現與監控系統的連接[2]，井下的數據傳輸系統通過485 總線將井下設備的狀態參數傳送到各分站，各個監控分站通過屏蔽雙絞線實現與井下各個設備之間的連接，當和硬件之間的連接采用串聯接線方式時，就會在使用中繼的情況下實現數據信號傳輸距離最遠，可長達3000 m，因此可以提升井下工作的運行效率。

圖1 煤礦供電監測系統結構圖

2 井下監控分站設計

作為監測系統和數據傳輸的承擔者，井下監控分站在整個系統中的作業至關重要。它主要由工業以太網、供電系統、中繼站、井下監控終端等組成，對井下各種數據參數進行監測和采集[3]。井下監控分站間采用485 總線進行設備間的通信功能，使得整個系統具有良好的抗干擾性，也能高效實現數據信息分析、計算及判斷，并將其接收到的數據發送到地面監控主站。

井下監控終端主要任務是起到了連接井下和地面監控站之間的數據信息傳輸功能，包括井下監控站接收的數據向地面監控站的傳輸，以及地面監控站下達的控制指令向井下監控站的傳輸。而指導監控終端完成任務的部分是由單片機系統和信號處理系統構成的。

單片機電路中采用ATmega8 單片機完成整個電路的控制與協調任務；ATmega8 單片機是一款新型微控制器，它的速度和穩定性都非常好，采用0809完成模擬數據的采集；采用MAX706 芯片實現硬件看門狗功能，防止系統死循環[4]。

煤礦井下監控終端系統框圖如圖2 所示，系統中各電路及數據傳輸路徑已給出。其中將電壓傳感器、電流傳感器、零序電流傳感器、零序電壓傳感器測得的模擬信號須經由模數轉換電路進行轉換之后，轉換為數字信號進入單片機，而開關量信號則直接傳輸至單片機。檢測的參數是電流、電壓值。

圖2 煤礦井下監控終端系統框圖

3 地面監控主站設計

煤礦地面監控主站是由通信服務器、數據服務器和監控工作站3部分組成的。系統結構如圖3所示。

圖3 地面監控主站結構圖

通信服務器[5]。主要實現對井下監控分站傳輸的實時信息接收、轉換、通道監視等；將地面監控總站的指令及數據向井下以太網發送。通常是采用以太網模式來實現與通信服務器的接口連接。

數據服務器。用于儲存系統狀態的歷史數據，同時起到了監控系統工作站和Web服務器的功能。

監控工作站。用于電網運行監測、開關控制、報表打印等，通常情況下會連接打印機。

另外，根據供電系統總體的規模可以配置操作員站、視頻監控站等，負責采集并處理煤礦電力系統的監控信息。

4 通信系統設計

煤礦供電監測系統中的通信系統主要是由2 部分構成的，分別為井下監控分站與各終端之間、井下監控分站與地面監控主站之間的通信。

而因煤礦井下設備分散、設備因生產而向前推進需要經常性的移動與替換等環境方面的限制和影響[6]，本設計充分考慮各方面因素，選用RS-485 作為井下監控分站與各終端之間的通信方式。RS-485組網簡單，設備的兼容性良好，符合井下生產環境。各終端設備與井下監控分站通過串聯的接線方式，在配置中繼站的情況下使用屏蔽雙絞線進行連接，最遠距離可達3000 m，能夠滿足井下設備分布較為分散的情況。

地面監控主站與井下監控分站之間的通信必須保證實時性和準確性，目前主流工業以太網就可滿足條件，同時還具備性價比高和通信效率高的優點。本設計中采用一種可靠性和實時性俱佳的面向連接的協議——Modbus-TCP 協議，它在TCP/IP 網絡上運行時需要協議轉換。流程圖如圖4所示。

圖4 Modbus-TCP在TCP/IP網絡運行協議轉換流程圖

在利用Modbus-TCP 協議實現通信時，須添加通用TCP/IP父設備在軟件設備管理中，正確設置端口號、本地及遠程IP，并選擇好寄存器類型及地址后，添加要讀取的系統數據和狀態即可。

5 結束語

本文設計的煤礦井下供電檢測系統可實現和井下電網的有效融合，負責完成整個煤礦井下電力系統的電能參數的監測。同以往傳統的人工巡視相比，極大地節省工人工作量，數據的采集速度更快、精度和智能化程度更高；針對電力系統中出現的各種故障的反應和處理更加準確有效，方便工作人員對煤礦井下電網的維護檢修和故障處理。

測試結果表明，井下供電監測系統能夠適應煤礦井下的工作環境，實現了更好的監測功能，能夠完成對井下電網的實時監控，降低工作人員勞動強度并縮短故障檢修時間，對煤礦井下安全生產具有重大意義。