李 冰

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400)

0 引 言

我國是煤礦開采大國，國家及企業(yè)對煤礦資源的開采力度呈現(xiàn)出逐漸加大趨勢，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到了井下煤礦任務(wù)中，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、刮板輸送機(jī)等，各類設(shè)備在正常運(yùn)行時，增加了井下的整體耗電量，保證井下的安全、穩(wěn)定供電，成為提高煤礦開采效率及設(shè)備工作安全的關(guān)鍵[1]。目前，某礦井下雖設(shè)計了一套相對穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，但在實(shí)際供電使用過程中仍存在工作溫度過高、供電系統(tǒng)無過流過壓保護(hù)、無統(tǒng)一的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺、線路短路或燒壞等故障現(xiàn)象，井下一旦出現(xiàn)短路或其他故障現(xiàn)象，將極可能使得設(shè)備無法正常作業(yè)，并構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患[2]。

設(shè)計一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對井下供電過程的全面監(jiān)控及安全保障顯得十分有必要。為此，結(jié)合當(dāng)前井下供電系統(tǒng)存在問題基礎(chǔ)上，開展了井下供電過程的監(jiān)控系統(tǒng)升級設(shè)計研究和關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計，通過對該監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及可靠性，對降低井下電量消耗，減少企業(yè)電費(fèi)支出、保證供電過程的安全性具有重要意義。

1 現(xiàn)有井下供電監(jiān)控系統(tǒng)存在問題分析

隨著國家科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，當(dāng)前井下供電系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面也得到了一定程度的提升，但在實(shí)際運(yùn)行過程中仍存在較多問題，包括如下幾點(diǎn)[3]：

(1)供電系統(tǒng)中使用的相關(guān)保護(hù)器及傳感器型號種類較多，通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)及通訊協(xié)議缺乏統(tǒng)一規(guī)定，設(shè)備之間若進(jìn)行相互通訊，存在兼容性較差問題。

(2)由于當(dāng)前供電系統(tǒng)的接口單一、部分檢測設(shè)備未進(jìn)行匹配設(shè)計，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的升級擴(kuò)展，存在無法進(jìn)行有效兼容問題。

(3)供電系統(tǒng)中的CPU處理器存在運(yùn)算速度較慢、信號處理量較低、整體控制精度較低等問題，若增加井下供電設(shè)備及供電過程的監(jiān)控功能，當(dāng)前的CPU已無法滿足更復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)算需求。

(4)大多供電系統(tǒng)采用的是串行通訊總線進(jìn)行通訊連接，存在信號易受干擾、傳輸距離短、信號衰減率高、通信質(zhì)量差等問題，這可能極大的影響著整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性護(hù)可靠性[4]。

為此，結(jié)合當(dāng)前井下供電系統(tǒng)存在的不足，有針對性的設(shè)計一套功能更加齊全、控制精度更高的自動化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，成為當(dāng)前企業(yè)重點(diǎn)考慮方向。

2 供電監(jiān)控系統(tǒng)的升級設(shè)計

以當(dāng)前井下供電系統(tǒng)為設(shè)計基礎(chǔ)，開展了井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的升級設(shè)計研究。整套監(jiān)控系統(tǒng)包括了測控裝置、RS485接口、CUP控制器、存儲單元、以太網(wǎng)接口、電源模塊、人機(jī)交互界面、監(jiān)控主機(jī)等部分，其框架圖如圖1所示。

圖1 井下供電監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

測控裝置包括了電路溫度、功率、電流、漏電情況等方面的傳感器，在對電路進(jìn)行信號采集后，通過RS485接口將信號傳輸至CUP控制器中，在CPU中能對所采集信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析、判斷等處理，所有分析處理后的數(shù)據(jù)也將通存儲單元進(jìn)行實(shí)時保存。經(jīng)CPU處理后的信號在以太網(wǎng)接口的作用下傳輸至顯示界面及監(jiān)控主機(jī)中，以將線路的中的各類信號通過顯示界面進(jìn)行實(shí)時顯示，人員也可通過顯示界面上的操作按鈕來對線路中的相關(guān)部件進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。為保證整個系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力和低能耗，選用了ARM7LP2148型微處理器[5]，系統(tǒng)的操作系統(tǒng)則采用了硬件核心和OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)算能力。通過此監(jiān)控系統(tǒng)，不僅提高了整個供電過程的安全性，也使得人員能直觀的對供電過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制，整體自動化水平明顯提高。

3 供電監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控制器模塊設(shè)計

合理選擇最佳的CPU控制器，不僅能提高監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行速度，也對保障系統(tǒng)信號的穩(wěn)定性至關(guān)重要。為此，選用了市場上成熟的ARM7LP2148型CPU微處理器，該處理器采用了Flash存儲器，配備了128位寬度的存儲器接口，能保證在32位代碼下的最大時鐘高速運(yùn)行。同時，能通過16位的Thumb模式降低系統(tǒng)中的有效代碼30%，以減小因代碼是損失所造成的信號誤報現(xiàn)象[6]。另外，該處理器中的指令集及譯碼機(jī)制與傳統(tǒng)的計算機(jī)更為簡單，提高了系統(tǒng)的運(yùn)輸能力。整體價格較為低廉，能較好的滿足井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的使用需求。

3.2 通訊接口設(shè)計

由于井下環(huán)境的惡劣性，經(jīng)常會有各類干擾信號對供電系統(tǒng)進(jìn)行干擾。為減小此信號對整個供電系統(tǒng)的影響，選用了RS485接口和CAN總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于CAN總線具有較高的通訊能力及實(shí)時性，也適合較遠(yuǎn)的傳輸距離，故在監(jiān)控平臺設(shè)計了1路CAN總先接口，其余幾路采集線路則主要以RS485接口為主。整個監(jiān)控系統(tǒng)中通訊接口的電路連接圖如圖2所示。

圖2 RS485及CAN總線通訊電路圖

3.3 存儲單元模塊選型設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)對井下供電過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，在監(jiān)控系統(tǒng)中需配備存儲單元模塊。為此，選用了市場上成熟的AT24LC256存儲單元模塊，該模塊的工作電壓為1.8～5.5 V，最大傳輸速率為100 kHz，內(nèi)部通過CAN總線進(jìn)行接口通訊，具有硬件寫保護(hù)、擦寫和200以上的數(shù)據(jù)保存能力。該模塊在與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路連接時，配備了兩個4.7 K的上拉電阻，以對存儲模塊中的高平和低平進(jìn)行保護(hù)，電阻的另一端則主要與SDA和SCL引腳端進(jìn)行連接，模塊中的DC3.3 V電壓分別為AT24LC256存儲單元模塊上的8腳和上拉電阻進(jìn)行連接。存儲單元模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 AT24LC256存儲單元模塊電路連接圖

3.4 液晶顯示模塊設(shè)計

為更加直觀的將井下供電狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示和控制，選用了SSD1289型液晶顯示模塊，該顯示模塊中采用了240RGB×320TFTLCD型控制器，具有較高的顯示精度及顯示效果，界面上的相關(guān)按鈕采用了觸摸屏方式進(jìn)行操作控制。界面上也設(shè)置了確認(rèn)、向上、向下、取消、復(fù)位等功能按鈕，能分別實(shí)現(xiàn)對供電參數(shù)、歷史信號查詢、供電參數(shù)修改、開關(guān)查詢等不同功能的切換操作。同時，為提高顯示器模塊的抗干擾性能，在與供電系統(tǒng)進(jìn)行電路連接時，增加了6N137光電隔離器，以此保證信號的穩(wěn)定性。整個液晶顯示模塊的電路連接圖如圖4所示。

圖4 存儲單元模塊電路圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用評價

在完成井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計后，將其在井下現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試，測試周期為5個月，主要是將該監(jiān)控系統(tǒng)與當(dāng)前井下供電過程進(jìn)行通訊集成連接。在測試過程中，該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，能實(shí)時的將井下供電過程中的電流、電壓、功率、設(shè)備通訊速率及漏電情況等進(jìn)行快速分析及液晶顯示器上的實(shí)時顯示，供電系統(tǒng)的現(xiàn)場顯示界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場顯示界面圖

在測試過程中，供電過程也出現(xiàn)了過壓和過流的故障現(xiàn)象，此時該監(jiān)控系統(tǒng)及時的發(fā)出了相應(yīng)的報警提示及啟動了切斷分電路的保護(hù)模式，整個保護(hù)過程無需人員到井下進(jìn)行操作控制，通過監(jiān)控中心即可找到供電過程出現(xiàn)的故障類型及故障發(fā)生位置。據(jù)人員介紹，該監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅提高了整個供電過程的安全性，也降低了人員的勞動強(qiáng)度和井下設(shè)備的耗電量，大大簡化了人員的操作步驟及過程，得到了大家的一致好評和認(rèn)可。具有重要的實(shí)際推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié) 語

提高井下供電過程的操作簡便性及安全性，將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到井下供電監(jiān)控系統(tǒng)中，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)井下智能化改造的重要方向。為此，在分析當(dāng)前井下供電系統(tǒng)存在的薄弱問題基礎(chǔ)上，開展了更加先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)在井下供電過程的應(yīng)用研究，并對系統(tǒng)中的關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，通過對系統(tǒng)的應(yīng)用測試得出：升級后的供電監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行效果，在實(shí)現(xiàn)對供電過程中電流、電壓、功率等參數(shù)實(shí)時運(yùn)算及顯示基礎(chǔ)上，也實(shí)現(xiàn)了對供電過程的過流、過壓及故障定位等功能顯示，系統(tǒng)的智能化程度顯著提高。但在智能化供電監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后，工作人員也需定期對電路進(jìn)行巡查，排除其他各類因素對井下供電線路的影響。該設(shè)計對提高井下供電過程的安全性及降低設(shè)備電費(fèi)支出具有明顯的實(shí)際意義。