礦山機(jī)械設(shè)備自動化供電系統(tǒng)可靠性思考

陳 松

（山西高河能源有限公司， 山西 長治 047100）

引言

近年來，由于我國礦山開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了滿足日益增長的礦產(chǎn)需求，各煤礦企業(yè)開始不斷提升采礦設(shè)備的機(jī)械化、自動化水平，大功率的礦產(chǎn)傳送設(shè)備、采礦設(shè)備、制動設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等被不斷應(yīng)用，導(dǎo)致了礦山機(jī)械設(shè)備的供電系統(tǒng)工作負(fù)荷急劇增加，這些供電設(shè)備很多為獨(dú)立的工作站，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、反應(yīng)速度慢，無故障診斷、自動控制功能，無法對礦山機(jī)械設(shè)備的供電情況進(jìn)行實時監(jiān)控、調(diào)配、管理，極不利于礦山供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

為了提高整個礦山機(jī)械設(shè)備供電系統(tǒng)的安全性、可靠性以及自動化程度，提出了基于總線技術(shù)的智能控制、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)的供電自動化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實現(xiàn)對各個機(jī)械設(shè)備的供電系統(tǒng)進(jìn)行集中控制、管理，實現(xiàn)基站的無人控制，大幅提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，改善礦山供電系統(tǒng)的管理水平[1]。

1 自動化供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)對礦山所有機(jī)械設(shè)備供電系統(tǒng)的集成控制，自動化供電系統(tǒng)應(yīng)該具有以下關(guān)鍵功能。

1）遠(yuǎn)程遙控功能。該功能要求自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓、電流等各種模擬信號的采集并且上傳到集中控制系統(tǒng)，當(dāng)集成控制系統(tǒng)接受到反饋信號后根據(jù)指令發(fā)出控制命令，控制各對象執(zhí)行總線系統(tǒng)發(fā)出的控制指令對電流、電壓、短路倍數(shù)，過載能力等進(jìn)行控制。

2）直接顯示功能。該功能是指對監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控到的監(jiān)測信號等進(jìn)行實時的顯示，能夠讓控制人員直觀地了解到各設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)的實時工作情況和狀態(tài)。

3）斷電記憶功能。當(dāng)各系統(tǒng)發(fā)生故障時，集中控制系統(tǒng)能夠在第一時間給出控制指令，中斷其工作，為了便于工人能夠在第一時間查找故障原因并快速修復(fù)，要求控制系統(tǒng)能夠自動的記錄故障發(fā)生的時間、地點、故障現(xiàn)象等。

4）采用標(biāo)準(zhǔn)化接口及擴(kuò)展功能。為保證集中控制系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性及后期升級能力，要求其采用標(biāo)準(zhǔn)接口及擁有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，以便其能夠很好地適應(yīng)設(shè)備增加、增加監(jiān)控點等[2-3]。

根據(jù)自動化供電系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，其集中控制系統(tǒng)主要由集中控制中心、各設(shè)備分控制站點、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，其構(gòu)成示意圖如圖1所示：

圖1 集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制人員通過集控中心的工控機(jī)及相應(yīng)的監(jiān)控軟件能對礦山中所有機(jī)械設(shè)備的供電系統(tǒng)的工作情況和狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)視與控制，圖1所示的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是連接集控中心與各設(shè)備供電系統(tǒng)的通道，為保證數(shù)據(jù)、信息傳遞的迅速、準(zhǔn)確，我們采用開發(fā)的數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)采用的是光纖材質(zhì)，其波特率可以達(dá)到14Mbit/s，能夠高效地滿足集控系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確響應(yīng)的要求，同時由于在設(shè)計時即采用了冗余技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的可靠性。

整個控制網(wǎng)絡(luò)由光纖系統(tǒng)、光電傳感器及網(wǎng)關(guān)組成，光電傳感器主要用于各分系統(tǒng)所采集信號的匯入，網(wǎng)關(guān)主要是統(tǒng)一的管理每一個節(jié)點，同時與集控中心進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)交換。各個信息集成分站主要由PC端，協(xié)議轉(zhuǎn)換器及其他外圍設(shè)備構(gòu)成，它們不間斷的與各點位的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換并將收集到的信息進(jìn)行初步的匯總分析，然后傳遞給集控中心，同時各分站點也在不斷地接受集控中心的控制指令，并將控制指令轉(zhuǎn)換為模擬控制信號傳遞給現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行實時控制。現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)是對設(shè)備供電系統(tǒng)進(jìn)行直接監(jiān)控、調(diào)節(jié)、保護(hù)的設(shè)備，不間斷地檢測設(shè)備的運(yùn)行情況，實時采集運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳遞各信息的分站點，當(dāng)其接受到集控中心的控制指令后直接進(jìn)行控制操作，使電控設(shè)備按照集控中心的指令進(jìn)行運(yùn)行[4]。

2 集控系統(tǒng)主站點的設(shè)計

集控系統(tǒng)主站點的主要作用是對從各分站點匯總到的信息進(jìn)行分析、運(yùn)算和交換，最終通過屏顯功能對整個礦山機(jī)械設(shè)備的供電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理，它主要由工控機(jī)（1臺為備用設(shè)備，當(dāng)主運(yùn)行工控機(jī)出現(xiàn)故障時能夠立刻啟動備用設(shè)備，實現(xiàn)無縫控制，確保整個控制系統(tǒng)的安全可靠）、電源設(shè)備、網(wǎng)卡等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 集控系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)示意圖

集控系統(tǒng)主站中控制系統(tǒng)我們可以選擇Win7操作系統(tǒng)，監(jiān)控設(shè)備的控制系統(tǒng)可以選用IFIX動畫控制軟件，其可以將監(jiān)控信息以動畫或者選定的圖片形式直觀而清晰地顯示在屏幕上，控制人員直觀地了解整個設(shè)備供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和情況，監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備的信息交流通常利用監(jiān)控軟件與OLE過程控制技術(shù)，其主要特點是把不同設(shè)備供應(yīng)商之間的通訊接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，讓不同設(shè)備間的信息、數(shù)據(jù)交換更簡單、方便，便于后續(xù)設(shè)備的擴(kuò)展及增加功能。

3 自動化供電系統(tǒng)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化供電系統(tǒng)分系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)主要由通信協(xié)議換置器、外圍系統(tǒng)、光電設(shè)備及PC系統(tǒng)組成，如圖3所示，分系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)不間斷地收集其控制的設(shè)備現(xiàn)場實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成協(xié)議約定的傳輸格式并通過Decentralized Periphery網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央主控系統(tǒng)，最后根據(jù)主控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號進(jìn)行控制操作[5]。

圖3 自動化供電系統(tǒng)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

因安全設(shè)計要求，礦山常用的電壓為127V/660V的低壓電源，因此在對各分監(jiān)控點的分站點進(jìn)行電源選擇時，優(yōu)先選用127 V/220 V、容量為2 kVA的單相變壓器，以便將127 V的電壓轉(zhuǎn)換為220 V，并通過USP電源對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

礦山設(shè)備工作環(huán)境極端惡劣，為了確保分系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性，需要選擇利用防爆式的嵌入式PC及無縫觸摸屏結(jié)構(gòu)作為分系統(tǒng)的顯示端，觸摸屏的顯示信號需要從PC端的輸出模擬信號的接口進(jìn)行信號的輸出[6]。

控制現(xiàn)場的智能控制系統(tǒng)所收集到的實時數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口傳遞給計算機(jī)單元，其作為網(wǎng)絡(luò)主站而現(xiàn)場的監(jiān)控單元可視為整體控制結(jié)構(gòu)的分單元，在系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)中，為了保證通信的可靠與穩(wěn)定通常采用具有電磁防護(hù)功能的雙絞線作為信號通信線路，為了縮短控制及響應(yīng)時間，總站控制系統(tǒng)與分站控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接盡可能地采用直線連接，以縮短彼此之間的距離，縮短控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

為了避免計算機(jī)與分站電路之間的電磁信號不相互干擾，需要在計算機(jī)的入口段增加一個光電耦合器，把計算機(jī)及分站電路隔離開來，以保證整個控制系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性，同時為確保信號在傳輸過程中的集中性，通常采用在控制總線的末端增加緩存電阻，用來壓制線路中產(chǎn)生的諧波電流，提高信號傳輸?shù)募行浴?/p>

自動化供電系統(tǒng)分系統(tǒng)軟件方面同樣采用Win7控制系統(tǒng)，監(jiān)控設(shè)備的軟件可利用VC++6.0工具及通信控件來實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文提出基于現(xiàn)場總線的煤礦自動化供電系統(tǒng)的智能自動化控制方案，可以很好解決目前礦山供電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、反應(yīng)速度慢、無故障診斷、無自動控制、無法對礦山機(jī)械設(shè)備的供電情況進(jìn)行實時的監(jiān)控、調(diào)配、管理的難題，對礦山機(jī)械設(shè)備供電系統(tǒng)安全性可靠性的提升具有重大意義。