礦山機械設備供電網(wǎng)絡智能監(jiān)測設備設計方案

李永東

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的不斷進步，同時為了滿足國內(nèi)外不斷增長的煤炭需求，我國的各大煤礦均開始淘汰落后的、非自動化的生產(chǎn)設備，同步引進具有高度自動化和智能化水平的礦用機械設備，新進設備對礦山供電設備提出了更高的要求[1]，但目前大多數(shù)煤礦井下供電設備還在采用分散式的供電單元，各系統(tǒng)之間相對獨立工作，機械設備供電情況、每日耗電情況等只能通過人工逐個進行收集并上傳系統(tǒng)匯總，不僅效率極其低下而且容易出現(xiàn)錯誤，整個煤礦井下機械設備供電設備的可靠性差、對事故反應速度慢，無法自行對供電設備的運行情況進行診斷，也無法對整個井下所有用電設備的用電情況進行實時檢測、判斷，完全無法滿足井下越來越多的智能化、自動化設備的集中運行要求。

為了滿足煤礦井下供電設備自動化、智能化的控制要求[2]，同時大幅提高井下供電設備的可靠性，在井下供電設備發(fā)生故障時能夠迅速地鎖定故障源并及時進行恢復，本文提出了基于現(xiàn)場總線控制技術(shù)的井下供電設備的智能監(jiān)測、控制技術(shù)，該技術(shù)可以實現(xiàn)對井下供電設備的集中監(jiān)控及控制，能夠使井下供電設備的安全性、節(jié)能性、可靠性得到極大提升。

1 井下供電設備監(jiān)測系統(tǒng)的整體構(gòu)型

為了實現(xiàn)對煤礦井下全部供電設備的集成控制，井下供電設備監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

整個監(jiān)控系統(tǒng)采用的是標準化接口及通信協(xié)議，具有完全開放性，為了便于對井下各獨立的供電單元進行統(tǒng)一控制，其采用環(huán)形交換機對各分立的供電設備進行整合，然后利用光纖組成的數(shù)據(jù)總線構(gòu)成環(huán)網(wǎng)集中控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各獨立供電設備的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、跨區(qū)域共享，滿足對供電設備的在線檢測、故障處理、協(xié)調(diào)控制。

該智能監(jiān)測控制系統(tǒng)采用了金字塔型的分層控制形式，各個控制模塊采用的是具有良好擴展功能的智能監(jiān)測模塊，便于用戶根據(jù)煤礦的規(guī)模及設備功能方便地進行擴展和調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)具有極強的柔性，使整個系統(tǒng)便于實現(xiàn)標準化和通用化。

圖1 供電設備監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)型圖

2 現(xiàn)場總線控制設備

總線控制技術(shù)是以PLC控制終端和I/O技術(shù)為基礎，它可以將煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的各種設備、控制系統(tǒng)等通過互聯(lián)、互通，使其與所有信息匯總到控制室內(nèi)的顯示屏幕上，形成一個全分散、全開放、可相互操作、具有高度自動化的控制系統(tǒng)，其特點主要包括以下幾個方面：

1）總線控制設備由物理層、網(wǎng)絡連接（管理）層、應用層、數(shù)據(jù)鏈層共4個部分組成，它能夠?qū)⒏黝愋偷牟杉畔崿F(xiàn)實時、隨機、周期、非周期等不同需求的冗余及可靠傳輸，且信號傳輸層次分明、協(xié)議一致性好。

2）現(xiàn)場總線主要包括一級監(jiān)控及現(xiàn)場設備管理，比較適合各種分散型、集中型的設備分布管理，且具有很好的防爆性能，適合煤礦井下的網(wǎng)絡設置，同時可以利用數(shù)據(jù)總線對信息、視頻數(shù)據(jù)傳輸速度快、信號質(zhì)量好的優(yōu)勢，實現(xiàn)對各監(jiān)控點位的遠程視頻傳送，能夠很好地滿足不同客戶的多樣化需求。

3 光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)

工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，其對信息傳遞的實時性、準確性、可靠性、安全性及數(shù)據(jù)完整性要求極高，整個光纖環(huán)網(wǎng)按照工作時的功能劃分可分為管理層的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)和處于現(xiàn)場設備層的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，它們之間通過標準信息接口進行互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)交換，上下層之間使用相同的通訊協(xié)議，可實現(xiàn)交互式操作，同時為了保證信息傳輸?shù)陌踩?，其采用兩級防火墻設置，對關(guān)鍵性操作進行加密管理，確保整個系統(tǒng)的安全性。

在光纖環(huán)網(wǎng)中各種信息以周期和非周期傳輸?shù)姆绞酵瑫r存在，通常情況下周期性的信息傳輸要求具有順序性，而一些非周期類的信息則具有優(yōu)先級別，需要進行特別的處理。

4 監(jiān)控中心軟件設備的設計

監(jiān)控中心的軟件組態(tài)設計可分為4個部分，物理組態(tài)子集、邏輯組態(tài)子集、服務器客戶端子集、現(xiàn)場設備，其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 供電設備監(jiān)測系統(tǒng)軟件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

在供電設備監(jiān)測系統(tǒng)軟件組態(tài)構(gòu)成中，物理組態(tài)子集[3]主要是對包括各一線監(jiān)控點位的監(jiān)控設備功能模塊、現(xiàn)場監(jiān)控、控制設備選取等一系列涉及整個系統(tǒng)功能構(gòu)成的配置過程在內(nèi)的各設備系統(tǒng)所進行的軟件配置。

邏輯組態(tài)子集，作為整個供電設備自動監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制軟件部分，其主要作用是根據(jù)用戶需求對現(xiàn)場監(jiān)測、控制系統(tǒng)所遵循的控制邏輯進行規(guī)劃，以實現(xiàn)不同的控制要求和控制策略。Super Famicom（SFC）組態(tài)器是控制系統(tǒng)的核心，用于協(xié)調(diào)、調(diào)用編寫模式，LD組態(tài)器、ST組態(tài)器、IL組態(tài)器以及FBD組態(tài)器主要用于為控制系統(tǒng)提供圖像化的組態(tài)控制模式[3]。

服務器客戶端主要是用于實現(xiàn)標準接口通信，用于一線監(jiān)測、控制設備的信息、組態(tài)下載，實時對控制設備進行數(shù)據(jù)讀取、寫入，該服務器客戶端是用于聯(lián)系上位機與下位機的核心連接設備。

5 供電設備控制分站及集中器的設計

井下供電設備控制分站是將供電設備監(jiān)測中心和供電設備自動監(jiān)測系統(tǒng)保護裝置連接起來的橋梁，其主要作用是把供電設備自動監(jiān)測系統(tǒng)保護裝置采集到的供電設備實時的運行信號傳遞給地面控制中心，并將地面控制中心的相關(guān)控制指令傳遞給相對應的系統(tǒng)保護裝置。在供電設備控制系統(tǒng)的分站內(nèi)還設置有記錄設備用電情況的自動式電力電度表，在電力電度表內(nèi)設置具有特定工作頻率的接收、發(fā)射模塊，這些接收、發(fā)射模塊能夠?qū)㈦姸缺韮?nèi)的相關(guān)信息實時傳遞給中央控制單元，為了保證信號在傳輸過程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，供電設備控制分站應采用低頻信號進行數(shù)據(jù)的傳輸，低頻通訊信號穿透力強，能夠順利通過井下復雜的地理環(huán)境和線路并且受其他電子設備電磁干擾小，能夠確保各種信號傳輸?shù)陌踩?、準確性、完整性和及時性。

供電設備控制系統(tǒng)中的集中器具有統(tǒng)計時分復用器的功能，該設備能夠?qū)⒏鱾€分支傳遞的數(shù)據(jù)流進行預處理，使各類傳輸信號更加平滑，同時還兼具通信控制功能，可以執(zhí)行數(shù)據(jù)流的分接和復接，增強傳輸信號。在系統(tǒng)運作的過程中，集中器可以實時采集各設備的用電數(shù)據(jù)并通過終端PLC控制系統(tǒng)進行實時用電管理，能夠自動記錄整個井下供電設備控制系統(tǒng)中最大電力波動發(fā)生的時間和峰值[4]。

6 結(jié)語

通過對煤礦井下供電設備自動監(jiān)測、控制系統(tǒng)的研究，在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)實際煤礦井下供電設備控制系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的問題和實際控制要求，提出了基于現(xiàn)場總線控制技術(shù)的煤礦井下供電設備自動監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，該供電設備自動監(jiān)測控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、擴展性好、自動化程度高等一系列的優(yōu)點，很好地解決了各井下供電設備監(jiān)控單元與中央控制系統(tǒng)的信息交換、數(shù)據(jù)處理不及時等問題，實現(xiàn)了井下供電設備的集中監(jiān)控及控制，該設計方案使井下供電設備系統(tǒng)的安全性和可靠性得到極大提升。

[1] 徐穎秦，沈艷霞，紀志成.基于網(wǎng)絡通信的變電站數(shù)字視頻遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國電力，2005，38（6）：77-79.

[2] 夏德海.現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3] 徐穎秦，潘豐.基于World FIP總線的煤礦電網(wǎng)節(jié)能性監(jiān)控系統(tǒng)

[J].工況自動化，2008（2）：68-70.

[4] 朱全印，高保衛(wèi).煤礦電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設計和應用[J].煤炭科技·機電與信息化，2009，35（9）：68-70.