李亞斌

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山發(fā)電廠(chǎng)，山西 方山 033100)

0 引 言

地面供電系統(tǒng)作為整個(gè)礦井供電系統(tǒng)的組成部分，其工作的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，不僅關(guān)系煤礦井下工作面能否可靠工作運(yùn)行，還與井下工作人員的生命安全息息相關(guān)[1-3]。某煤炭企業(yè)因地面供電系統(tǒng)使用年限較長(zhǎng)，地面供電系統(tǒng)落后，現(xiàn)已不能夠很好的滿(mǎn)足煤礦地面安全生產(chǎn)的要求，存在明顯的老化現(xiàn)象，大大降低了地面供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，急需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)作為礦井地面供電系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的運(yùn)行的穩(wěn)定性極為關(guān)鍵，是井下供電系統(tǒng)正常供電的控制中心，只有保證其技術(shù)的先進(jìn)性才能確保煤礦井下煤炭掘進(jìn)設(shè)備的安全穩(wěn)定及煤炭的產(chǎn)能和效率[4]。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)已取得了很好的應(yīng)用效果，尤其在服役環(huán)境極為苛刻場(chǎng)景中工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更加凸顯出在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性。相關(guān)研究表明[5]，礦井地面供電系統(tǒng)引入較為先進(jìn)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之后，不僅能夠提供地面供電系統(tǒng)的工作可靠性，還能降低地面供電系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，為煤炭企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)可靠性較低的現(xiàn)狀，筆者以其控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)通過(guò)地面供電系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)工作，達(dá)到提高地面供電系統(tǒng)可靠性的目的，對(duì)提高煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量和效率具有重要意義。

1 改造要求

地面供電控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要適應(yīng)當(dāng)前控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，并用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使地面供電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面供電系統(tǒng)中各類(lèi)開(kāi)關(guān)、變壓器、供電線(xiàn)路等的運(yùn)行狀態(tài)；②實(shí)現(xiàn)地面供電系統(tǒng)中各類(lèi)開(kāi)關(guān)、電氣控制元件等的遠(yuǎn)程控制，方便地面供電系統(tǒng)的集中控制；③實(shí)現(xiàn)地面供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，為系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行故障排查提供重要系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；第四是控制系統(tǒng)需要具有很好的可擴(kuò)展性，使地面供電系統(tǒng)覆蓋面積可增可減。

2 方案設(shè)計(jì)

煤礦地面供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，電路電纜布置不規(guī)律，各個(gè)電路的功能差異較大。眾所周知，復(fù)雜的電路系統(tǒng)控制過(guò)程中產(chǎn)生的電路反饋信息會(huì)很多，因此控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)搭建工作較為關(guān)鍵，需能夠?qū)Σ杉玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理。地面供電系統(tǒng)原有的開(kāi)關(guān)控制功能多以繼電器實(shí)現(xiàn)，具有明顯不足，為了提高地面供電系統(tǒng)的工作可靠性，將繼電器控制改進(jìn)為PLC控制，由計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)地面供電系統(tǒng)弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的目的，實(shí)現(xiàn)便捷的開(kāi)關(guān)控制功能。如圖1所示，結(jié)合某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，完成了控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輸入輸出驅(qū)動(dòng)、綜合接入網(wǎng)關(guān)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)等部分。

圖1 地面供電控制系統(tǒng)方案

3 硬件設(shè)計(jì)

改造之后的地面供電控制系統(tǒng)所涉及的硬件主要包括PLC控制器、綜合接入網(wǎng)關(guān)和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，它們是保障地面供電控制系統(tǒng)功能可靠實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，具體的選型與配置參數(shù)如下。

3.1 PLC控制器

地面供電控制系統(tǒng)改造用PLC控制器取代原有的繼電器，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)編程控制地面供電控制系統(tǒng)的目的。PLC控制器作為地面供電控制系統(tǒng)的核心器件，其工作的可靠性極為關(guān)鍵，結(jié)合地面供電控制系統(tǒng)實(shí)際情況，選擇了西門(mén)子生產(chǎn)的S7-200系列CPU226的 PLC。PLC控制器中配置中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和信息通信等模塊，具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和存儲(chǔ)的能力，能夠根據(jù)地面供電系統(tǒng)的實(shí)際情況采集得到可靠的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，之后進(jìn)行邏輯分析，實(shí)時(shí)顯示在控制系統(tǒng)監(jiān)控界面當(dāng)中供監(jiān)控人員觀(guān)察掌握地面供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。中央處理器主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)地面供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，由ROM和RAM兩部分構(gòu)成；通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的傳輸，遠(yuǎn)程控制指令的發(fā)送等。S7-200系列CPU226的 PLC結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 PLC結(jié)構(gòu)組成

3.2 綜合接入網(wǎng)關(guān)

改造地面供電系統(tǒng)中的綜合接入網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)完成地面供電系統(tǒng)中各個(gè)分支電路及開(kāi)關(guān)等電氣控制元件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中采集，匯總之后通過(guò)光纖將其傳輸至集中控制平臺(tái)進(jìn)行顯示[7]。綜合接入網(wǎng)關(guān)的內(nèi)核控制器型號(hào)為ARM9，自身操作系統(tǒng)采用的VxWORKS系統(tǒng)，通信過(guò)程使用了CAN總線(xiàn)，具有可靠的數(shù)據(jù)采集匯總與數(shù)據(jù)信息傳輸性能，具備跨平臺(tái)、跨總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳遞功能。

3.3 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)

環(huán)網(wǎng)交換機(jī)作為煤礦地面供電控制系統(tǒng)中極為重要的元器件，應(yīng)用于地面供電控制系統(tǒng)當(dāng)中具有重要作用，具有輸電局域廣的特點(diǎn)。環(huán)網(wǎng)交換機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程清晰、操作流程簡(jiǎn)易、使用維護(hù)方便快捷，以此同時(shí)，遇到危險(xiǎn)情況可以自動(dòng)發(fā)出感應(yīng)報(bào)警信號(hào)，因此，將其接入地面供電控制系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)地面供電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制動(dòng)作。地面控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)工作原理如圖3所示，連接著地面供電系統(tǒng)監(jiān)控中心及各個(gè)分站控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制功能。

圖3 環(huán)網(wǎng)交換機(jī)工作原理

3.4 信號(hào)處理模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理模塊用于接收來(lái)自各種傳感器實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，獲得便于傳輸和存儲(chǔ)的數(shù)字量信號(hào)。監(jiān)控系統(tǒng)選擇與CAN總線(xiàn)配套的iCAN3800作為信號(hào)處理器，可在5～1000 kbps的波特率條件下實(shí)現(xiàn)與CAN總線(xiàn)的通訊。iCAN3800模塊工作時(shí)，自身的8路模擬量輸入通道可以并行運(yùn)行，獨(dú)立進(jìn)行信號(hào)處理任務(wù)，具備每秒輪詢(xún)數(shù)據(jù)500次的能力，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸和通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。i CAN3800信號(hào)處理模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 iCAN3800信號(hào)處理模塊工作原理

4 軟件設(shè)計(jì)

地面供電系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、事件庫(kù)、優(yōu)先級(jí)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)等5部分，具體設(shè)計(jì)功能如下。

4.1 組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)

組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要任務(wù)是梳理特殊命令數(shù)據(jù)、反饋信息、數(shù)據(jù)屬性等，同時(shí)還能夠梳理與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)搭建組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，采集得到的數(shù)據(jù)處理之后生成組態(tài)信息數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

4.2 事件庫(kù)

地面供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)突發(fā)的各種事件均會(huì)由事件庫(kù)進(jìn)行分析處理并存儲(chǔ)，以便為供電系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)人員提高事件發(fā)生過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，提高故障事件的排查效率。系統(tǒng)事件庫(kù)工作時(shí)能夠及時(shí)反饋數(shù)據(jù)、分析調(diào)用數(shù)據(jù)、快速控制供電系統(tǒng)元器件等，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障或者突然報(bào)警時(shí)能夠快速開(kāi)展故障排查與處理。

4.3 優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)

地面供電控制系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中可以直接調(diào)用實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，確定相關(guān)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)與時(shí)間相關(guān)，設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)將其內(nèi)部時(shí)間與計(jì)算機(jī)時(shí)間同步，保證了采集得到數(shù)據(jù)的先后，很好的完成優(yōu)先級(jí)的劃分。

4.4 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)搭建的任務(wù)是完成過(guò)去一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的記憶存儲(chǔ)，為供電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考，達(dá)到需要相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)能隨時(shí)調(diào)用，供相關(guān)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)減小了數(shù)據(jù)接口及緩存器的重?fù)?dān)，其設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的應(yīng)用，緩存空間大小的設(shè)置依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存和硬盤(pán)空間確定，確保歷史數(shù)據(jù)庫(kù)具有足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

4.5 實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)庫(kù)作為地面供電系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換的部分，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取的目的。與此同時(shí)，為了確保調(diào)用的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)獲取，對(duì)其進(jìn)行了索引算法的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的目的。

4.6 輸入輸出驅(qū)動(dòng)

地面供電控制系統(tǒng)中的輸入輸出驅(qū)動(dòng)接口主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與PLC控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理與存儲(chǔ)，同時(shí)也具備控制指令的發(fā)送等功能。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

基于某煤炭企業(yè)地面供電系統(tǒng)存在的安全可靠性能較低的情況，完成了地面供電控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)工作，將其應(yīng)用于煤礦地面供電系統(tǒng)中進(jìn)行試運(yùn)行，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，提高了企業(yè)地面供電系統(tǒng)的可靠性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地面供電系統(tǒng)故障率降低了近15%，故障排查時(shí)間減少約12%，節(jié)約了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員2～3名，降低了煤炭企業(yè)的生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100萬(wàn)/年，取得了很好的應(yīng)用效果。保證了煤礦井下作業(yè)環(huán)境的安全。