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(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步，同時(shí)為了滿足國(guó)內(nèi)外不斷增長(zhǎng)的煤炭需求，我國(guó)的各大煤礦均開(kāi)始淘汰落后的、非自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備，同步引進(jìn)具有高度自動(dòng)化和智能化水平的礦用機(jī)械設(shè)備，新進(jìn)設(shè)備對(duì)礦山供電設(shè)備提出了更高的要求[1]，但目前大多數(shù)煤礦井下供電設(shè)備還在采用分散式的供電單元，各系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立工作，機(jī)械設(shè)備供電情況、每日耗電情況等只能通過(guò)人工逐個(gè)進(jìn)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(cuò)誤，整個(gè)煤礦井下機(jī)械設(shè)備供電設(shè)備的可靠性差、對(duì)事故反應(yīng)速度慢，無(wú)法自行對(duì)供電設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行診斷，也無(wú)法對(duì)整個(gè)井下所有用電設(shè)備的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、判斷，完全無(wú)法滿足井下越來(lái)越多的智能化、自動(dòng)化設(shè)備的集中運(yùn)行要求。

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

1 井下供電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體構(gòu)型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下全部供電設(shè)備的集成控制，井下供電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)化接口及通信協(xié)議，具有完全開(kāi)放性，為了便于對(duì)井下各獨(dú)立的供電單元進(jìn)行統(tǒng)一控制，其采用環(huán)形交換機(jī)對(duì)各分立的供電設(shè)備進(jìn)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(shí)現(xiàn)各獨(dú)立供電設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跨區(qū)域共享，滿足對(duì)供電設(shè)備的在線檢測(cè)、故障處理、協(xié)調(diào)控制。

該智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采用了金字塔型的分層控制形式，各個(gè)控制模塊采用的是具有良好擴(kuò)展功能的智能監(jiān)測(cè)模塊，便于用戶根據(jù)煤礦的規(guī)模及設(shè)備功能方便地進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)具有極強(qiáng)的柔性，使整個(gè)系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。

圖1 供電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)型圖

2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制設(shè)備

總線控制技術(shù)是以PLC控制終端和I/O技術(shù)為基礎(chǔ)，它可以將煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備、控制系統(tǒng)等通過(guò)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(gè)全分散、全開(kāi)放、可相互操作、具有高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

1）總線控制設(shè)備由物理層、網(wǎng)絡(luò)連接（管理）層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈層共4個(gè)部分組成，它能夠?qū)⒏黝愋偷牟杉畔?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、隨機(jī)、周期、非周期等不同需求的冗余及可靠傳輸，且信號(hào)傳輸層次分明、協(xié)議一致性好。

2）現(xiàn)場(chǎng)總線主要包括一級(jí)監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理，比較適合各種分散型、集中型的設(shè)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(luò)設(shè)置，同時(shí)可以利用數(shù)據(jù)總線對(duì)信息、視頻數(shù)據(jù)傳輸速度快、信號(hào)質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)位的遠(yuǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其對(duì)信息傳遞的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性、安全性及數(shù)據(jù)完整性要求極高，整個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)按照工作時(shí)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(chǎng)設(shè)備層的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，它們之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信息接口進(jìn)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(shí)現(xiàn)交互式操作，同時(shí)為了保證信息傳輸?shù)陌踩?，其采用兩?jí)防火墻設(shè)置，對(duì)關(guān)鍵性操作進(jìn)行加密管理，確保整個(gè)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(shí)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(jí)別，需要進(jìn)行特別的處理。

4 監(jiān)控中心軟件設(shè)備的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的軟件組態(tài)設(shè)計(jì)可分為4個(gè)部分，物理組態(tài)子集、邏輯組態(tài)子集、服務(wù)器客戶端子集、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 供電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

在供電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組態(tài)構(gòu)成中，物理組態(tài)子集[3]主要是對(duì)包括各一線監(jiān)控點(diǎn)位的監(jiān)控設(shè)備功能模塊、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、控制設(shè)備選取等一系列涉及整個(gè)系統(tǒng)功能構(gòu)成的配置過(guò)程在內(nèi)的各設(shè)備系統(tǒng)所進(jìn)行的軟件配置。

邏輯組態(tài)子集，作為整個(gè)供電設(shè)備自動(dòng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)所遵循的控制邏輯進(jìn)行規(guī)劃，以實(shí)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(xiě)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(wù)器客戶端主要是用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口通信，用于一線監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備的信息、組態(tài)下載，實(shí)時(shí)對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、寫(xiě)入，該服務(wù)器客戶端是用于聯(lián)系上位機(jī)與下位機(jī)的核心連接設(shè)備。

5 供電設(shè)備控制分站及集中器的設(shè)計(jì)

井下供電設(shè)備控制分站是將供電設(shè)備監(jiān)測(cè)中心和供電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保護(hù)裝置連接起來(lái)的橋梁，其主要作用是把供電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保護(hù)裝置采集到的供電設(shè)備實(shí)時(shí)的運(yùn)行信號(hào)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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)保護(hù)裝置。在供電設(shè)備控制系統(tǒng)的分站內(nèi)還設(shè)置有記錄設(shè)備用電情況的自動(dòng)式電力電度表，在電力電度表內(nèi)設(shè)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(shí)時(shí)傳遞給中央控制單元，為了保證信號(hào)在傳輸過(guò)程中的連續(xù)性和穩(wěn)定性，供電設(shè)備控制分站應(yīng)采用低頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，低頻通訊信號(hào)穿透力強(qiáng)，能夠順利通過(guò)井下復(fù)雜的地理環(huán)境和線路并且受其他電子設(shè)備電磁干擾小，能夠確保各種信號(hào)傳輸?shù)陌踩浴?zhǔn)確性、完整性和及時(shí)性。

供電設(shè)備控制系統(tǒng)中的集中器具有統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用器的功能，該設(shè)備能夠?qū)⒏鱾€(gè)分支傳遞的數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理，使各類傳輸信號(hào)更加平滑，同時(shí)還兼具通信控制功能，可以執(zhí)行數(shù)據(jù)流的分接和復(fù)接，增強(qiáng)傳輸信號(hào)。在系統(tǒng)運(yùn)作的過(guò)程中，集中器可以實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的用電數(shù)據(jù)并通過(guò)終端PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)用電管理，能夠自動(dòng)記錄整個(gè)井下供電設(shè)備控制系統(tǒng)中最大電力波動(dòng)發(fā)生的時(shí)間和峰值[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦井下供電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)的研究，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際煤礦井下供電設(shè)備控制系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題和實(shí)際控制要求，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的煤礦井下供電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該供電設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、擴(kuò)展性好、自動(dòng)化程度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了各井下供電設(shè)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(shí)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了井下供電設(shè)備的集中監(jiān)控及控制，該設(shè)計(jì)方案使井下供電設(shè)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(jì)志成.基于網(wǎng)絡(luò)通信的變電站數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].中國(guó)電力，2005，38（6）：77-79.

[2] 夏德海.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[M].北京：中國(guó)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(dòng)化，2008（2）：68-70.

[4] 朱全印，高保衛(wèi).煤礦電網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].煤炭科技·機(jī)電與信息化，2009，35（9）：68-70.