現場總線下煤礦供電自動化系統分析

摘 要：由于計算機技術、通信技術和信息技術的不斷進步， 煤礦的信息化和自動化水平得以大幅度提高。煤礦供電系統的發展趨勢就是自動化， 其不斷的升級和完善可以使相關人員及時發現煤礦供電系統故障，大幅減少無計劃停電次數，也使煤礦安全生產得到了保障，因此現今煤礦企業大多采用現場總線的供電系統。文章簡單介紹了煤礦實行供電自動化的必然性，簡要介紹了現場總線技術，并對現場技術下的供電系統構成作了簡要分析。

關鍵詞：現場總線；煤礦供電；自動化

中圖分類號：X752 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）9-0079-01

煤礦的供電系統幾經發展變革，但現在較多采用的是在現場總線基礎上的Profibus網絡、嵌入式系統、智能測控設備和工業控制下的基于計算機技術的煤礦供電自動化系統。該系統向煤礦供電是自動化的，沒有人值班，由機器和設備進行全自動管理和控制，可以較少值班以及維護人員的使用量，這使得系統的供電效率大幅提高，也減小了人員對于系統的維護量，使供電更加安全、穩定和可靠。

煤礦供電監控系統是煤礦供電系統的重要組成部分之一，監控系統的設備都是分散獨立的，基本上采用傳統繼保裝置。這些設備有著復雜的結構，維護量大，故障記錄不準確，監控的參數不全，可靠性不高。另外，由于缺乏遙控手段，也不能自我診斷故障，因此無法對生產設備的供電情況進行配置，也不能對其進行及時有效的監控，更加難以集中管理，對煤礦供電系統的安全穩定運行形成了潛在的威脅。

1 必要性

在煤礦經常發生瓦斯積聚和采掘工作面瓦斯超限的事故，而其主要原因是有時會發生無故的停電、開關的損壞、局扇的損壞、電纜發生故障以及供電系統的不穩定，這些都會造成局部的停電；煤礦現有的供電設備很落后，沒有及時更換，所以會經常出現無故跳電，但是有些故障較隱蔽又難以發現，再加上停電送電不及時，這些都會使瓦斯超過其限度，隨時可能誘發惡性事故。煤礦井下供電系統較為落后，所有的元件都是單個的，并沒有形成一個系統，比較先進的系統還只是停留在開關單一元件的微機保護。煤礦供配電系統不同于其他的供電系統，三大供電區域是環環相扣的，要使整個供電系統能夠正常工作，三大環節必須同時可靠、穩定、安全的運行。因此，煤礦供電自動化系統的一項重要內容是供電設備監控系統；井下電網在保護控制和事故預警等方面的技術還相當落后。高開保護器不精確，功能沒有多樣化，實現上下級變電所保護配合困難。煤礦井下在電力保護方面，普遍存在由于電壓不穩定導致大面積停電、越級跳閘、不能實現有效的漏電保護、保護機制拒絕或誤啟動、故障無法迅速定位等現象，只能靠二次故障進行故障定位；在傳統供電系統下存在井下電工違章帶電作業，在作業過程中很可能產生電火花，而電火花一旦產生，就會點燃煤礦瓦斯，造成重大事故。

2 現場總線

現場總線的出現引起了控制領域的一場革命。未來的控制系統的控制或者調節功能將移向現場，FCS（現場控制系統）將會取代傳統的DCS，所以控制系統將是徹底分散的?，F場總線國際標準的制定進展緩慢且有一定困難，原因在于近多年來，許多公司都爭相提出了自己的現場總線，不過這也使現場總線技術有了長足的進步，同時也使情況特殊的煤礦井下選用現場總線技術時有較大余地，可以在眾多的現存標準中選取最適合煤礦使用的標準。煤礦供電運用開放的標準，使用智能化的和自動化的設備是未來發展的必然趨勢。

應采用的標準是，總線不一定直接供電，供電總線與本安特性應支持本安或在經簡單的改進后能支持本安；井下網絡最好設置為以兩級即一級主干網下接一級的現場總線。主干網采用同軸電纜或光纖作為傳輸中介，應該具備同時輸送多條媒體信息的能力，總線的傳輸距離能達10km以上才能滿足規模較小的礦井省去主干網而僅用一級現場總線；礦井的溫度和濕度都比較高，很容易受電磁干擾，現場總線距離較長，同時收發器上的共模電壓可能較高，所以其設備應具有抗干擾能力和適應惡劣環境的能力；應有開發工具，開發容易，還要有完善的硬軟件支持， 在我國市場上易于獲得。

3 系統設計

3.1 系統功能

為了更準確高效地控制各個供電系統和設施，系統應具有以下功能：實時顯示本地和遠方的檢測信號；當系統局部發生細小的故障或錯誤時，系統仍可以有條不紊地運轉；當系統的監測值超過設置閾值時，要同時在本地和遠地進行報警；系統要自動記錄故障發生時間和內容以便日后的系統維護。

3.2 系統主站設計

主站主要由2臺工控機、西門子CP5611網卡、UPS電源等組成，其中一臺工控機是備用計算機，另一臺為工作機。在出現故障時，為了證系統的可靠運行需要立即啟用備用計算機。

主站選用Windows 2000 Server操作系統。監控軟件使用iFix組態軟件設計，用圖片和動畫形式形象地顯示整個供電系統的工況。監控軟件和硬件設備之間進行數據通信采用用于過程控制的對象鏈接和嵌入OPC技術。不同供應廠商的應用程序和設備之間的接口是不同的，曾造成了一定的技術難題，OPC技術就實現了不同接口的標準化，使其相互間更容易地數據交換。它對現場設備的開發任務進行訪問，繼而以標準接口的形式放到設備生產廠家或第三方，并將該接口以服務器形式透明地提供給工控軟件開發人員，而這些人員曾經忙于開發底層的通信模塊，現在就只需要專注地開發工控軟件的功能，得到了解放。

3.3 系統分站設計

分站硬件設計系統分站由嵌入式計算機系統、光電轉換器、通信協議轉換器、和一些其他相關設備組成。它主要是對現場監控單元的數據進行不間斷地采集，并處理數據格式使之適合網絡傳輸，再通過Profibus DP網絡傳遞給系統主站。在接到主站控制命令的時候，再自動控制指揮相關的現場監控設備進行調試和控制。為保證系統分站的工作狀態更加穩定和更加安全，由嵌入式計算機和觸摸顯示屏組成分站，因為煤礦生產現場的環境十分惡劣，普通工控機根本無法可靠運行。嵌入式計算機使用具有防震防潮結構的低功耗芯片和電子硬盤，因此不管煤礦惡劣的生產環境有多么惡劣，它都能夠正常運行。觸摸顯示屏的顯示信號從嵌入式計算機的VGA口輸入，控制信號由COM3口輸出。程序與多個現場測控單元循環地交換數據是通過COM2口，進行數據通信時是通過ABC網關與COM1口。

4 結 語

傳統的煤礦供電系統已經存在過于陳舊等問題，并且造成了瓦斯爆炸等許多安全事故的發生，因此亟需對煤礦的供電系統進行革新，由此煤礦供電系的自動化伴隨著計算機技術的進步和網絡的大力普及進入了人們的視野，而在現場總線下的煤礦供電系統由于比較智能，可以減輕供電系統的管理負擔，使煤炭供電更為安全和可靠，也節省了很多的人力，最重要的是它使得供電的成本大幅地降低了，隨著基于現場總線的煤炭自動化系統會大力普及，可以為廣大煤礦提供更多的便利。

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