陳 健

(西山煤電鎮(zhèn)城底礦機電科外圍隊，山西 太原 030200)

0 引 言

煤礦綜采、掘進工作面各種大型機電設備的運轉離不開電力系統(tǒng)，電力為煤礦生產(chǎn)的動力源泉。變電所作為煤礦的關鍵分系統(tǒng)，其主要包括有一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。其中，一次系統(tǒng)主要負責對工作面、地上電力的傳輸、分配以及電壓的轉換任務；二次系統(tǒng)主要負責對現(xiàn)場各用電設備狀態(tài)的監(jiān)測、控制、保護以及狀態(tài)記錄等任務。實現(xiàn)變電所二次系統(tǒng)的自動化控制，是提升煤礦安全生產(chǎn)的基礎，是提高煤礦生產(chǎn)效率的關鍵[1]。因此，針對當前變電所自動化控制水平低且可靠性低的問題，筆者著重對煤礦變電所自動化控制系統(tǒng)的結構進行研究，并完成其控制邏輯的設計，旨在提高變電所控制水平的同時保證煤礦的高質高效生產(chǎn)。

1 工程概況

在實際生產(chǎn)中，變電所的故障和對設備保護的延遲性導致工作面生產(chǎn)效率低下且安全性低，為此在當前煤礦以太網(wǎng)的基礎上，完成煤礦變電所自動化控制系統(tǒng)設計，其中主要是煤礦中央變電所和綜采工作面變電所的自動化控制。基于所設計的變電所自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場用電設備各項參數(shù)的接收、監(jiān)測、控制、保護以及顯示等功能。具體研究內(nèi)容如下：

(1)在當前煤礦信息傳輸平臺的基礎上，基于以太環(huán)網(wǎng)為核心實現(xiàn)井上下各類信號的網(wǎng)絡傳輸。

(2)結合我礦井上、井下所有機電設備的特點提出變電所自動化改造的思路，在完成變電所自動化結構改造的基礎上，根據(jù)控制需求完成系統(tǒng)的邏輯設計。

2 信號網(wǎng)絡傳輸平臺的設計

目前，工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸功能的核心技術有現(xiàn)場總線技術和工業(yè)以太網(wǎng)技術。其中，現(xiàn)場總線技術主要實現(xiàn)現(xiàn)場與控制室之間的信號傳輸，結合現(xiàn)場檢測裝置對設備運行狀態(tài)參數(shù)進行測量，并對控制信號和非控制系統(tǒng)進行傳輸[2]。盡管，現(xiàn)場總線技術在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用，對于煤礦企業(yè)相對復雜且惡劣的生產(chǎn)環(huán)境以及高性能、高可靠性、長距離的控制需求，現(xiàn)場總線無法滿足實際控制需求，對實現(xiàn)變電所自動化控制制造了障礙。

對于工業(yè)以太網(wǎng)技術而言，以太網(wǎng)通信技術應用于局域網(wǎng)中。工業(yè)以太網(wǎng)的關鍵組成包括有應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層。與現(xiàn)場總線技術相比，工業(yè)以太網(wǎng)技術具有傳輸速率高、運行成本低、應用范圍廣等優(yōu)勢。故本文將基于以太網(wǎng)技術實現(xiàn)對信號網(wǎng)絡傳輸平臺的設計。

結合西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦現(xiàn)場情況，所設計的變電所信號網(wǎng)絡傳輸平臺結構如圖1所示。

圖1 基于以太網(wǎng)通信的變電所網(wǎng)絡傳輸平臺

如圖1所示，所搭建的變電所網(wǎng)絡傳輸平臺的傳輸介質為光纖，依靠工業(yè)以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場設備的信號傳輸、交換；而且，地面監(jiān)控中心與井下中央變電所、采取變電所形成環(huán)網(wǎng)控制。變電所網(wǎng)絡傳輸平臺的核心設備為以太網(wǎng)交換機，本平臺所選用的以太網(wǎng)交換機的型號為MS4128，配置的介質模塊參數(shù)如表1所列。

表1 MS4128以太網(wǎng)交換機介質模塊數(shù)量 /個

根據(jù)現(xiàn)場控制需求，所設計網(wǎng)絡傳輸平臺主干網(wǎng)的傳輸速率為1000Mbps、屬于隔爆型系統(tǒng)，最大傳輸距離可達到45 km；該信號傳輸平臺可在溫度為-10～45 ℃、周圍濕度不大于95%的環(huán)境正常工作[3]。

3 變電所自動化控制系統(tǒng)的結構及邏輯設計

3.1 變電所自動化控制系統(tǒng)的結構設計

基于上述所設計的以太網(wǎng)網(wǎng)絡通信平臺為中間樞紐作為變電所自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡控制層，以監(jiān)控中心為核心的信息層以及以現(xiàn)場離散設備和過程設備為核心的設備層組成整個煤礦變電所自動化控制系統(tǒng)的整體框架，如圖2所示。變電所自動化控制系統(tǒng)采用分層分布、分散集中控制的理念，分為監(jiān)控中心層、網(wǎng)絡控制層和設備層，各層的功能描述如下：

圖2 變電所自動化控制系統(tǒng)結構框圖

(1)變電所監(jiān)控中心層主要是對現(xiàn)場設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測、控制外，還具備對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲、記錄、顯示以及故障報警等功能。

(2)網(wǎng)絡控制層為監(jiān)控中心層和設備層進行通信和信號傳輸?shù)闹虚g樞紐。其中，與監(jiān)控中心層以RS485總線進行通信；與設備層采用以太網(wǎng)環(huán)形傳輸披平臺實現(xiàn)。鑒于煤礦惡劣環(huán)境，避免傳輸信號被干擾在傳輸線纜上均做屏蔽處理。

(3)現(xiàn)場設備層主要為對工作面機電設備進行保護、測控的裝置，其主要任務是對機電設備進行保護、測量并控制[4]。

3.2 變電所自動化控制系統(tǒng)的改造

結合城底礦當前變電所控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設備情況，為進一步提高整個煤礦電網(wǎng)控制的自動化水平和可靠性，做如下改造：在現(xiàn)有變電所和配電室的基礎上，結合工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺，為變電所控制系統(tǒng)增加2臺煤礦電網(wǎng)監(jiān)控機；在網(wǎng)絡控制層和設備層之間增加一臺通訊管理機，確保能夠獲取更準確、更全面的現(xiàn)場設備運行參數(shù)；在監(jiān)控中心新增一臺模擬顯示屏，可保證用戶直觀掌握整個煤礦電網(wǎng)的運行狀態(tài)[5]。經(jīng)改造后煤礦變電所自動化控制系統(tǒng)的邏輯拓撲結構如圖3所示。

圖3 煤礦變電所自動化控制系統(tǒng)的邏輯拓撲圖

4 設計應用效果

對西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦進行自動化改造后，可有效解決煤礦供電系統(tǒng)對設備控制自動化水平，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控，并準確快速定位供電系統(tǒng)的故障類型，為維修人員維護設備提供依據(jù)。試運行表明，當前供電系統(tǒng)下煤礦各類電氣設備的故障率明顯降低，約降低33%；折算為設備的停機時間約為400 h，從而為煤礦每年增產(chǎn)約為100萬t，按照每噸原煤的利潤為28元計算，經(jīng)對西山煤電鎮(zhèn)城底煤礦供電系統(tǒng)改造后可增加直接經(jīng)濟效益為3 000萬元，減少設備的維修費用約為300萬元。

5 結 語

煤礦變電所是工作面高效、安全生產(chǎn)的重要保障，隨著煤礦開采深度的不斷增加和機電設備類型的不斷增加對變電所控制系統(tǒng)的自動化水平和可靠性提出了更高的要求。為此，基于以太網(wǎng)交換機為核心設計以太網(wǎng)網(wǎng)絡通信傳輸平臺，該平臺具有通信速率快、通信距離長以及抗干擾性強等優(yōu)勢；結合我煤礦變電所當前控制現(xiàn)狀，為其新增電網(wǎng)監(jiān)控機、通信管理機以及模擬顯示屏等系統(tǒng)，保證變電所自動化控制系統(tǒng)可全面、準確掌握設備運行狀態(tài)的同時，為用戶直觀掌握運行狀態(tài)提供了平臺。