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        煤礦井下電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)及其改進(jìn)方案

        2012-10-09 00:39:06張魏魏
        電氣開(kāi)關(guān) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:工控機(jī)分站合閘

        張魏魏

        (徐州煤礦機(jī)械廠(chǎng),徐州 221004)

        1 引言

        在目前的礦井開(kāi)采中,井下供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)誤動(dòng)的現(xiàn)象,造成井下局部或者更大面積的停電事故。事故發(fā)生后,由于缺乏電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,對(duì)事故發(fā)生的地點(diǎn)和原因不詳,恢復(fù)供電需要很長(zhǎng)的時(shí)間,容易影響礦井安全生產(chǎn)。因此,對(duì)井下電力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理,供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷、技術(shù)參數(shù)以及停送電操作的管理很有必要。

        眾所周知,井下變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵在于大量的現(xiàn)場(chǎng)采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心,并能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無(wú)誤的傳送到控制單元,及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生,這就需要可靠的通信保障。因此在江蘇大屯煤礦對(duì)其井下供電系統(tǒng)進(jìn)行了改造,同時(shí)引入了煤礦井下電力自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),并對(duì)數(shù)據(jù)中心站通信系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),使之更適合現(xiàn)代化煤礦發(fā)展的需要。

        2 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控室、數(shù)據(jù)中心站、井下監(jiān)控分站三大部分組成,可實(shí)現(xiàn)快速故障診斷,保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性和可靠性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

        圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2.1 地面監(jiān)控中心

        此部分主要配置包括上位機(jī)組態(tài)軟件、地面工控機(jī)(有一臺(tái)為熱備機(jī))、打印機(jī)及配套設(shè)備組成。

        上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于組態(tài)王6.5通用工控組態(tài)軟件,它是工控系統(tǒng)的人機(jī)界面,是基于Windows NT/2000/XP操作系統(tǒng)。上位機(jī)具有良好的開(kāi)放性和靈活性的組態(tài)軟件,提供友好的、易于操作的畫(huà)面風(fēng)格,能準(zhǔn)確的模擬被監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際畫(huà)面,使看到畫(huà)面就像看到現(xiàn)場(chǎng)一樣,例如井下電力系統(tǒng)的模擬量顯示圖、分/合閘控制顯示圖、定值修改顯示圖、虛擬儀器顯示圖等都能顯示出來(lái)。

        2.2 井下監(jiān)控分站

        井下監(jiān)控分站,主要用于與井下配電設(shè)備的綜合保護(hù)裝置的通訊。監(jiān)控分站把智能終端保護(hù)器的各種數(shù)據(jù)傳送給地面監(jiān)控中心工控機(jī),另外,把工控機(jī)發(fā)出的控制指令(定值修改、分/合閘操作、裝置復(fù)歸)傳送給智能終端保護(hù)器,由智能終端保護(hù)器來(lái)執(zhí)行工控機(jī)的命令,從而可靠地完成對(duì)被控設(shè)備的控制。

        2.3 數(shù)據(jù)中心站

        數(shù)據(jù)中心站,是井下電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵,在于它能將井下大量的現(xiàn)場(chǎng)采集信息和數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心,并能將監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令準(zhǔn)確無(wú)誤的傳送到控制單元,及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生。煤礦井下電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        從圖中可以看出,上位機(jī)到井下監(jiān)控分站之間的傳輸介質(zhì)為光纖,井下監(jiān)控分站到下位機(jī)(各個(gè)開(kāi)關(guān)綜合保護(hù)器)之間的傳輸介質(zhì)為通信電纜,他們采用的是高可靠性的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信方式。

        下位機(jī)包括高壓防爆開(kāi)關(guān)、低壓真空饋電開(kāi)關(guān)及磁力啟動(dòng)器等智能綜合保護(hù)裝置,智能綜合保護(hù)裝置都是通過(guò)RS-485通信電路與監(jiān)控主機(jī)通信,從而可在主機(jī)上完成遠(yuǎn)方合閘、分閘、修改參數(shù)、查詢(xún)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等操作。由此就造成了監(jiān)控分站與下位機(jī)之間要有一個(gè)RS485轉(zhuǎn)CAN總線(xiàn)的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)中既要滿(mǎn)足下位機(jī)(各種開(kāi)關(guān))的要求,又要滿(mǎn)足與上位機(jī)的通信,很多廠(chǎng)家的RS485-CAN轉(zhuǎn)換器不能適合本系統(tǒng)的要求,與此系統(tǒng)不匹配。因此針對(duì)這種情況,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)此監(jiān)控系統(tǒng)的RS485-CAN轉(zhuǎn)換器,以此實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸。

        2.3.1 RS485-CAN 轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)

        煤礦井下電力監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中RS485-CAN轉(zhuǎn)換器硬件部分由以下幾部分組成:AT89C52控制器、SJA1000T獨(dú)立的 CAN控制器、TJA1050收發(fā)器、6N137光電隔離器??刂破鰽T89C52負(fù)責(zé)SJA1000T的初始化,通過(guò)控制TJA1050來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

        此轉(zhuǎn)換器不僅與上級(jí)監(jiān)控分站通信,還可獨(dú)立與其他各節(jié)點(diǎn)通信。我們這里采用AT89C52微處理器,在需要和監(jiān)控分站或其它節(jié)點(diǎn)通信時(shí),其通過(guò)P0口向SJA1000T的寄存器發(fā)送信息,再由TJA1050把信息傳遞到CAN總線(xiàn)上。分站和其他通信節(jié)點(diǎn)判斷接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符,將對(duì)接收到的信息作相應(yīng)的處理,從而實(shí)現(xiàn)通信功能,如圖3所示。

        圖3 轉(zhuǎn)換器通信原理

        其主要電路設(shè)計(jì)思路:

        (1)微處理器AT89C52通過(guò)P0口向SJA1000T的寄存器發(fā)送信息,其引腳P2.7接CAN控制器SJA1000T的片選信號(hào)/CS,處理器C52和CAN控制器SJA1000T分別使用用12 MHz、16 MHz的晶振,以提高通信速率;

        (2)TJA1050–高速CAN收發(fā)器,輸入電平為5V。其特點(diǎn)在于:高速、抗電磁干擾(EMI)能力極強(qiáng)、無(wú)待機(jī)模式等。收發(fā)器TJA1050的引腳8(Rs)用10 kΩ的電阻連接,實(shí)現(xiàn)抗干擾的作用;

        (3)圖3中應(yīng)為兩個(gè)高速光電耦合隔離器件6N137,由于6N137輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力不夠,需要連接一個(gè)約360 Ω的上拉電阻,以增加輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力;

        (4)此設(shè)計(jì)還用了一個(gè)看門(mén)狗電路,看門(mén)狗芯片用MAX813,使系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾時(shí)能自動(dòng)復(fù)位,防止程序發(fā)生死循環(huán),或者程序跑飛。另外用MAX485SCA作為RS-485的接口芯片,將單片機(jī)串口引出的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS-485信號(hào),主要電路如圖4所示。

        圖4 主要電路圖

        2.3.2 系統(tǒng)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

        通信模塊的軟件由5部分組成:初始化程序,發(fā)送程序和接受程序、中斷服務(wù)程序和錯(cuò)誤處理程序,僅這幾部分程序,就能完成通信信息的傳遞。

        主程序流程圖如下:

        圖5 主程序流程圖

        SJA1000T CAN總線(xiàn)控制器的初始化、發(fā)送程序和接收程序,在此不做贅述,我們只介紹一下主程序部分:

        Void USART init(void)

        {

        UCSROB=0x9C;

        UCSROC=0x36;

        UBRRPOL=0x2F;

        PORTD.4=0;//MAX485收發(fā)控制

        DORD.4=1;

        }

        //發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù),其中第一個(gè)數(shù)據(jù)是地址信息,其他是數(shù)據(jù)信息

        Void TXD(unsigned char*datas)

        {

        unsigned char i=0;

        PORTD.4=1;//使MAX485處于發(fā)送狀態(tài)

        while(i<amount)//一共發(fā)送amount個(gè)數(shù)據(jù)

        {

        while(UCSROA&32)==0);//等待發(fā)送緩沖器空閑

        //第一字節(jié)是地址信息(第9位=1)其他的是數(shù)據(jù)信息(第9位=0)

        if(i==0)USCROB=1;

        else UCSROB&=254;

        UDRO=*(datas+i);//裝載數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送

        i++;

        }

        while((UCSROA&64)==0);

        UCSROA=64;//清除發(fā)送結(jié)束標(biāo)志

        PORTD.4=0;//使MAX485 處于接收狀態(tài)

        }

        3 系統(tǒng)功能

        通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、上位機(jī)、工控機(jī)等完成井下配電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存和查詢(xún),以及對(duì)井下配電設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。具體功能如下:

        (1) 井下電網(wǎng)參數(shù)的顯示和記錄,如ABC三相的電流、零序電流、線(xiàn)電壓、零序電壓、絕緣信號(hào)和相敏信號(hào);

        (2) 地面計(jì)算機(jī)給井下每一臺(tái)配電開(kāi)關(guān),分布一個(gè)通訊地址,在井上就可以通過(guò)輸入通訊地址來(lái)查詢(xún)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài),即實(shí)現(xiàn)遙信、遙調(diào)、遙控、遙測(cè),可對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)整定、修改及遠(yuǎn)程分合閘等操作;

        (3) 當(dāng)井下設(shè)備發(fā)生如過(guò)壓、欠壓、斷相、漏電、過(guò)載、短路等故障時(shí),利用系統(tǒng)的聲光報(bào)警功能,可精確顯示故障設(shè)備的故障性質(zhì)和位置;

        (4) 生成每臺(tái)配電開(kāi)關(guān)的電能統(tǒng)計(jì)日、月、年報(bào)表,并可打印,以方便電能消耗的統(tǒng)計(jì);

        (5) 實(shí)現(xiàn)多種查詢(xún)功能,如井下電網(wǎng)參數(shù)的歷史記錄查詢(xún)、報(bào)表查詢(xún)、報(bào)警記錄查詢(xún)等。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        目前,在江蘇大屯煤礦對(duì)其井下供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)進(jìn)行改造以后,該系統(tǒng)安全穩(wěn)定,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下供電系統(tǒng)各級(jí)電壓值,負(fù)載電流值,功率值及開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài),并能夠查看相關(guān)值的歷史曲線(xiàn); 能對(duì)各個(gè)配電設(shè)備的保護(hù)值進(jìn)行整定和修改,通過(guò)在上位機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分合閘; 能夠?qū)码娋W(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理,對(duì)其出現(xiàn)的短路、過(guò)載、過(guò)壓、漏電等各種系統(tǒng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)告警和定位; 另外,系統(tǒng)還預(yù)留了視頻及WEB 接口,便于將來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展。通過(guò)在該礦的實(shí)際應(yīng)用,說(shuō)明了該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能完善、可靠性高,提高了生產(chǎn)效率,為煤礦的井下電力安全提供了很好的保障,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

        [1]趙斌,孫兵.基于RS-485總線(xiàn)的變電所監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化,2003(4): 70-75.

        [2]劉東波.煤礦井下變電所遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及其改進(jìn)方案.

        [3]邵會(huì)忠.基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā).華中科技大學(xué).控制工程,2004.5.10.

        [4]何巧麗.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)研究及其在低壓電力監(jiān)控行業(yè)的應(yīng)用.西北工業(yè)大學(xué).計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),2001.3.1.

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