田曉波

（山西潞安郭莊煤業(yè)， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

煤炭資源是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的支柱性能源資源，隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭資源的開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，發(fā)生透水事故的概率也越來越大，因此井下排水系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到煤炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)安全。雖然井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛，但對(duì)大多數(shù)采齡較長(zhǎng)的煤礦來說，其井下排水設(shè)備及控制線路最初布置時(shí)缺乏規(guī)劃，各排水系統(tǒng)布置分散，井下積水區(qū)域的水位變化情況和各排水裝置的運(yùn)行情況完全依賴于人工操作控制，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，由于煤礦井下的工作條件惡劣，各電纜設(shè)備布置復(fù)雜，無法對(duì)現(xiàn)有科技條件下的煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造[1]，因此迫切需要研究一種能夠利用現(xiàn)有井下的電纜和通訊系統(tǒng)，以較小的改造代價(jià)來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下各獨(dú)立、落后的排水裝置進(jìn)行自動(dòng)化和信息化改造，提高其自動(dòng)化程度和工作時(shí)的可靠性。

1 基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)

基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)將電力載波控制模塊設(shè)置在排水系統(tǒng)控制單元的電控箱內(nèi)，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口與各通訊單元和監(jiān)控分站及局域控制網(wǎng)絡(luò)相連接，監(jiān)控分站監(jiān)測(cè)各積水區(qū)域的水位水情狀況，利用電力載波系統(tǒng)和局域控制網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)絡(luò)無差別控制，若在巷道內(nèi)沒有設(shè)置工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)則可將現(xiàn)有的電壓供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為載波通信組網(wǎng)系統(tǒng)，把其中的主供電線路利用電力載波和轉(zhuǎn)換器設(shè)置為該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制主站點(diǎn)，在此處完成對(duì)本區(qū)域的水位水情和排水設(shè)備運(yùn)行情況參數(shù)的整合[2]，然后利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)將其傳送到地面控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各排水設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。

圖1 基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該系統(tǒng)中需實(shí)現(xiàn)對(duì)各積水區(qū)域排水控制系統(tǒng)之間水位水情的互聯(lián)互通，通過電力載波或者工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意網(wǎng)點(diǎn)水情數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，同時(shí)還需要建立地面控制中心和煤礦井下水情監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)之間的雙向通訊。

2 煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

電力載波通訊是電力傳輸系統(tǒng)所特有的一種通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有的電力電纜線，利用載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要重新布設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只需利用現(xiàn)有的電流傳輸系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的通訊和傳輸。

電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊[3]結(jié)構(gòu)原理如下頁圖2所示，各監(jiān)控單元監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)射端的串口發(fā)送到電力載波控制芯片，芯片接收到數(shù)據(jù)信息后首先對(duì)其進(jìn)行PSK相移鍵控的解調(diào)和偽隨機(jī)碼的擴(kuò)頻解調(diào)，然后由芯片的數(shù)據(jù)輸出端口將解調(diào)后的電力載波信息傳遞到外電路的濾波器處進(jìn)行信號(hào)濾波處理并對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率加強(qiáng)處理，最后由電力耦合電路把增強(qiáng)信息的電流載波信息耦合處理后發(fā)送到電力載波信息傳輸通道內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。在該電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊模塊的數(shù)據(jù)信息接收端口，首先對(duì)接收到的控制中心傳輸?shù)目刂菩盘?hào)進(jìn)行解耦處理，然后利用濾波處理電路對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅、降噪和調(diào)制處理，將其還原為原始的控制信號(hào)，最后經(jīng)過串口通信端的數(shù)據(jù)輸出完成整個(gè)控制信息的傳輸任務(wù)。在該電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊單元中，其創(chuàng)造性地把電力載波的通信及調(diào)制解調(diào)電路進(jìn)行了集成，在實(shí)際工作時(shí)只需要將事先處理后的控制程序輸入內(nèi)部?jī)?chǔ)存中心即可完成既定的控制通信，具有極大的操作彈性和靈活性，能夠滿足水情監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)通信等，并且能夠滿足對(duì)后期排水設(shè)備升級(jí)改造的數(shù)據(jù)通信需求。

圖2 電力載波聯(lián)網(wǎng)通訊結(jié)構(gòu)原理圖

3 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測(cè)試原理如圖3所示[4]，該測(cè)試的原理是利用示波器對(duì)各個(gè)電力載波控制單元不同點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸情況進(jìn)行測(cè)試，判斷數(shù)據(jù)信息在電力載波系統(tǒng)中傳輸?shù)募皶r(shí)性和穩(wěn)定性。

圖3 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測(cè)試原理圖

煤礦井下電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示。

圖4 電力載波聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

由圖4可知，以計(jì)算機(jī)作為主控單元并設(shè)置一臺(tái)模擬自動(dòng)排水監(jiān)控分站，通過利用計(jì)算機(jī)電源線發(fā)送電力載波通訊信號(hào)，要求監(jiān)控分站返回水位監(jiān)測(cè)，在電力載波傳輸過程中其數(shù)據(jù)幀串口通過通信模式進(jìn)行發(fā)送，電源通信線路由系統(tǒng)自帶的電源轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，在模擬排水監(jiān)控分站將模擬水情信號(hào)利用相同的載波通信模式返回給主站，計(jì)算機(jī)接收到返回的模擬信號(hào)后將數(shù)據(jù)在界面上進(jìn)行顯示，完成模擬實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 計(jì)算機(jī)接收到的模擬信號(hào)視圖

由圖5可知，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收過程中保持了較高的穩(wěn)定性和連續(xù)性，能夠較好地滿足監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與控制任務(wù)。

4 結(jié)語

煤礦井下排水系統(tǒng)作為確保煤礦安全生產(chǎn)的核心，對(duì)確保煤礦井下的安全生產(chǎn)起著十分重要的作用。由于井下環(huán)境惡劣，各種管線排布錯(cuò)綜復(fù)雜，很難通過更換全新的監(jiān)測(cè)、通信、控制系統(tǒng)來完成井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的智能化改造，所以提出了一種基于電力載波的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直接采用煤礦井下現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)的通訊線路，同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各監(jiān)控分站的排水設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互通。該系統(tǒng)的應(yīng)用以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，極大提升了煤礦井下排水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和安全性。