崔仁杰

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司 辛置煤礦， 山西 霍州 031400)

煤炭生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)工序多，隨著煤礦自動化、信息化程度的不斷提高，用電設(shè)備增多、耗電量大，其電耗成本占原煤生產(chǎn)總成本的35%以上，是礦井的主要耗能因素之一[1-2]. 目前，辛置煤礦對現(xiàn)運行設(shè)備電能數(shù)據(jù)未采集，無法有效分析設(shè)備運行狀態(tài)，無法提前識別故障問題，導(dǎo)致礦井存在一定的安全隱患。同時，無法監(jiān)控設(shè)備的非正常用電，導(dǎo)致出現(xiàn)電能浪費嚴(yán)重的狀況。為解決以上問題，亟需設(shè)計一款能監(jiān)測與控制煤礦電網(wǎng)能耗的系統(tǒng)。

1 能耗監(jiān)控系統(tǒng)的組成

礦山智能電網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)，是基于MCGS組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)的。該系統(tǒng)通過設(shè)備電度表實時監(jiān)控井下各設(shè)備的用電情況，將數(shù)據(jù)通過光纖發(fā)送至主機，通過曲線顯示，直觀地分析電量的變化情況。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生較大波動時，系統(tǒng)會自動預(yù)警，并在相應(yīng)位置做出緊急處理，旨在全方位實現(xiàn)礦井電能監(jiān)測，有效避免電能浪費，同時電能發(fā)生波動時，系統(tǒng)預(yù)警，降低礦井的安全隱患，提高礦井的自動化水平，增加礦井的效益[3-4].

監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩部分組成，上位機監(jiān)測系統(tǒng)以及通信基站，總體設(shè)計圖見圖1. 通過各設(shè)備安裝的智能電表對用電數(shù)據(jù)進行采集，通過光纖收發(fā)器，發(fā)送至交換機，隨后將信息快速準(zhǔn)確上傳至監(jiān)測與通訊分站以及監(jiān)控主機，主機將數(shù)據(jù)以報表的形式分享至其他系統(tǒng)，將其作為礦井成本控制的一項重要依據(jù)。

1.1 上位機監(jiān)測系統(tǒng)

在能耗監(jiān)測與控制系統(tǒng)中上位機監(jiān)測系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的“大腦組織”，通過監(jiān)控主機、其他辦公計算機以及打印機將數(shù)據(jù)進行收集處理，統(tǒng)一顯示在計算機上。由于監(jiān)控主機安裝有MCGS通用版軟件，因此當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控主機時，主機會將異常數(shù)據(jù)進行標(biāo)注，并報警提醒。上位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖見圖2，該系統(tǒng)除了可以將井下各設(shè)備的用電情況以及節(jié)能裝置運行情況實時數(shù)據(jù)顯示外，還有查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)在報警的同時，會將異常數(shù)據(jù)匯總，發(fā)送至該項數(shù)據(jù)管理工程師手中，協(xié)助他們第一時間進行故障定位排除。

1.2 井下能耗監(jiān)測與通信基站

在整個控制系統(tǒng)中，光纖作為系統(tǒng)的“血管”，執(zhí)行信息傳遞的任務(wù)，而通信基站則是作為系統(tǒng)的“心臟”，實現(xiàn)井下用電設(shè)備與節(jié)能裝置的相互通信、實時參數(shù)信息的收集處理、井上井下信息交互的功能。基站主要由光纖收發(fā)器、觸摸屏、通訊服務(wù)器、內(nèi)部交換機和PLC組成[5].通信基站通信結(jié)構(gòu)見圖3.

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計圖

圖2 上位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 通信基站通信結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)通信設(shè)計

為了實現(xiàn)兩臺設(shè)備間的通信聯(lián)系，需要建立設(shè)備通信協(xié)議，即只有兩臺設(shè)備建立以及遵循設(shè)定的通信協(xié)議，其之間才可以進行通話。而在不同設(shè)備之間，通信協(xié)議多樣，每種協(xié)議均有自己的通信范圍。因此，為了實現(xiàn)設(shè)備的信息互通，需要采用符合當(dāng)下的通信協(xié)議以及通信規(guī)范。

2.1 多功能電表通信設(shè)計

辛置礦現(xiàn)使用的電表多為多功能電表，其通信協(xié)議尚未采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，目前采用的是自身協(xié)議，只可以與帶有RS-485接口的設(shè)備實現(xiàn)信息互通。而在MCGS軟件中需要根據(jù)現(xiàn)有的通信接口，開發(fā)一款適合電表的通信驅(qū)動。利用腳本開發(fā)MCGS設(shè)備通信驅(qū)動的工作原理見圖4. 驅(qū)動開發(fā)結(jié)束后，電表可以與系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，執(zhí)行電表電量的信息采集。

設(shè)備通信驅(qū)動的開發(fā)是作為電表信息互通的關(guān)鍵一步，在基礎(chǔ)的MCGS軟件中用于腳本驅(qū)動開發(fā)的方式一般有兩種，該設(shè)計選擇非向?qū)Я鞯拈_發(fā)方式進行電表通信協(xié)議驅(qū)動設(shè)計。在開發(fā)之前第一步應(yīng)該選擇正確的腳本驅(qū)動的配置屬性以及相對應(yīng)的設(shè)備通道，配置結(jié)束后，利用所對應(yīng)的接口函數(shù)進行驅(qū)動程序的編寫，編寫結(jié)束后將編寫的驅(qū)動添加到驅(qū)動列表中，即可正常使用。

圖4 工作原理圖

2.2 井上井下通信設(shè)計

通過開發(fā)腳本將電表通信并入系統(tǒng)，將電表采集的電能信息通過光纖首先到達通信基站。為了實現(xiàn)井上信息互通必須建立井上監(jiān)控與通信基站之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前井上監(jiān)控主機與井下監(jiān)測通信基站之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的。通信基站中安裝有嵌入版MCGS組態(tài)軟件的觸摸屏，屏幕通過與電表的通信接口互聯(lián)，通過智能電表采集設(shè)備的電量后，經(jīng)過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機，從而實現(xiàn)井上主機對井下用電的實時監(jiān)測。通過MCGS軟件環(huán)境的設(shè)備參數(shù)窗口可以選擇通用協(xié)議的TCP/IP父設(shè)備與Modbus TCP/IP的子設(shè)備，通過設(shè)置父/子設(shè)備的參數(shù)信息，便可以實現(xiàn)TCP/IP通信設(shè)計。在進行通用TCP/IP設(shè)備屬性配置后，應(yīng)重點核對相關(guān)的本地以及遠程的IP地址以及端口號，當(dāng)編寫子設(shè)備屬性時，提前命名相關(guān)的連接變量與通道名稱，防止書寫錯誤而導(dǎo)致的系統(tǒng)報錯。

3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計

能耗監(jiān)控系統(tǒng)在完成通信設(shè)計后，還需要對系統(tǒng)的井下通信即觸摸屏的嵌入版以及井上監(jiān)控主機通用版的MCGS軟件進行組態(tài)設(shè)計，才能基于MCGS軟件真正實現(xiàn)各設(shè)備的監(jiān)測與控制。

3.1 通用版MCGS組態(tài)軟件介紹

MCGS軟件運行分為組態(tài)環(huán)境、運行環(huán)境兩種。其中組態(tài)環(huán)境指的是參數(shù)設(shè)置、設(shè)備匯總、數(shù)據(jù)庫生成等搭建基礎(chǔ)工作；而運行環(huán)境指軟件的主界面，在主界面中可以通過數(shù)據(jù)直觀地了解軟件正常運行的基礎(chǔ)條件，從而實現(xiàn)整個組態(tài)軟件的運行規(guī)劃。MCGS軟件運行流程見圖5.

圖5 MCGS軟件運行流程圖

3.2 嵌入版MCGS觸摸屏組態(tài)設(shè)計

嵌入版MCGS結(jié)構(gòu)圖見圖6，該版本較通用版支持可視化，具有硬件適應(yīng)性強、處理速度快以及異常數(shù)據(jù)預(yù)警等功能。由于嵌入版的功能眾多，觸摸屏組態(tài)軟件選擇將其作為基礎(chǔ)環(huán)境進行搭建，使觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、采集、處理以及上傳等功能。

1) 窗口設(shè)計。

在觸摸屏的眾多窗口中，用戶窗口對于美觀實用性要求最高，而對于數(shù)據(jù)庫設(shè)計則考驗的是系統(tǒng)的性能以及傳輸?shù)捻憫?yīng)。在電網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)中，用戶窗口主要分為兩種，包括井下用電設(shè)備參數(shù)檢測窗口以及節(jié)能裝置運轉(zhuǎn)監(jiān)測。設(shè)備用電參數(shù)檢測窗口即通過實時的電表檢測，將電能曲線上傳至觸摸屏中，幫助實時監(jiān)測設(shè)備的用電狀況以及電能的波動情況。

圖6 嵌入版MCG組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)圖

節(jié)能裝置的運轉(zhuǎn)檢測窗口即實時顯示電路中的主回路電壓、控制電壓、補償電流、補償容量、功率因數(shù)以及溫度等參數(shù)，通過參數(shù)實時顯示反映出節(jié)能裝置的運行情況。節(jié)能裝置的窗口界面見圖7.

圖7 節(jié)能裝置運轉(zhuǎn)監(jiān)測圖

2) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

瞬時響應(yīng)作為數(shù)據(jù)庫設(shè)計的第一要求，在數(shù)據(jù)庫中首先對各個變量進行基礎(chǔ)屬性設(shè)置，其次添加各變量的上下限值，最后設(shè)置報警模式，一旦采集數(shù)據(jù)超出上下范圍，系統(tǒng)立即預(yù)警發(fā)出警報。

4 系統(tǒng)效益

煤礦電網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦安全運行有重要作用，與節(jié)能系統(tǒng)相結(jié)合能夠為煤礦創(chuàng)造一定的經(jīng)濟與社會效益。為了測試系統(tǒng)，將10#煤層的4-2工作面作為試點進行小范圍使用。通過運行，系統(tǒng)的故障率較低，能夠穩(wěn)定運行，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時，電能數(shù)據(jù)曲線波動異常，系統(tǒng)報警，設(shè)備急停，基本達到設(shè)計初期對于故障定位的目的，同時通過數(shù)月的試點運行，系統(tǒng)達到了設(shè)計初期節(jié)約月耗電3%以上的預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)預(yù)測，系統(tǒng)在該礦進行推廣，可實現(xiàn)的煤礦機電系統(tǒng)電能消耗降低幅度為5%～8%，預(yù)計運行一年將會節(jié)約250～400萬元的電費，能夠較大程度上提高礦井經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

以MCGS組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)了一款礦井電網(wǎng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為上位機監(jiān)測系統(tǒng)與井下能耗監(jiān)測與通信基站，通過安裝通用版以及嵌入版的組態(tài)軟件，實現(xiàn)了井下設(shè)備用電情況實時顯示、數(shù)據(jù)收集處理以及異常預(yù)警功能。該系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦企業(yè)中，能夠配合現(xiàn)有的節(jié)能設(shè)備以及設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)，進一步提高礦井對設(shè)備的監(jiān)控力度，有效降低能耗，提高煤礦的經(jīng)濟效益。