煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設計

□ 楊寶林 內蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司

煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設計

□ 楊寶林 內蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司

［導讀］本文首先闡述煤礦電力系統(tǒng)的概述，接著分析煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元的應用現(xiàn)狀，然后分析煤礦電力系統(tǒng)的智能控制單元，最后分別從軟件和硬件方面設計其控制單元系統(tǒng)。

一、前言

近年來，煤炭事故時有發(fā)生，導致煤炭事故的原因各種各樣，其中最為重要的原因之一是電力系統(tǒng)的監(jiān)控故障。煤礦供電系統(tǒng)不但要求供電可靠，供電的質量，還要求供電的安全性。若要達到這些要求就必須有一個準確可靠的煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng)。

二、煤礦電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產、傳輸、分配和消費的系統(tǒng)。煤礦供電系統(tǒng)屬于電力系統(tǒng)的配電與用電環(huán)節(jié)，一般包括地面變電所、坑下中央變電所、采區(qū)變電所、移動變電站和工作面配電點等。煤礦供電系統(tǒng)主要有供電可靠性要求高，同一電壓等級穿越的供電級數多，大功率符合相對集中，運行環(huán)境惡劣，電纜供電為主，新型電力電子設備逐漸增多，供電設備技術水平參差不齊等特點。由于煤礦生產的特殊性，因此對供電系統(tǒng)更為嚴格，主要要求供電可靠、安全，保證充足的供電量，技術經濟合理等。

三、煤礦電力系統(tǒng)智能控制單元應用現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的煤礦電力系統(tǒng)控制設備實際使用過程中，仍然會出現(xiàn)一些安全隱患，其中對電力設備安全影響較為嚴重的是電力設備的保護裝置無法先系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時起到保護作用，導致系統(tǒng)長時間處于異常狀態(tài)運行，引起設備損壞，礦坑斷電，嚴重的釀成煤礦事故。對事故原因進行分析可以歸納出以下幾個原因：

礦山使用電力設備受環(huán)境影響明顯由于礦山的特殊環(huán)境，造成電力電氣設備受到損害，再加上煤礦電力設備長時間處于高負荷運作狀態(tài)，導致電力設備故障發(fā)生率提高，造成安全隱患。

系統(tǒng)復雜導致維護成本高目前礦山適用的電力系統(tǒng)設備主要是由模擬電子電路設備構成，布線復雜，導致電力設備部署和維護成本較高，采用定期檢查的方式對設備進行維護，無法及時發(fā)現(xiàn)老化或者失效的設備，造成電力系統(tǒng)在保護不全面的狀態(tài)下運行。

四、煤礦電力系統(tǒng)智能控制的分析

生產實踐表明，已有的煤礦電力系統(tǒng)電力電氣設備的使用仍然存在著很多的安全隱患，其中最為嚴重的是電力電氣設備的保護功能不能充分發(fā)揮作用，其原因主要有：（1）煤礦環(huán)境特殊，電力電氣設備受危害的因素多，電力電氣設備故障多。（2）礦山使用的各種開關的控制電路和保護電路廣泛采用電子電路，造成電力電氣設備故障處理、檢修和維護的難度增加，使故障不能及時得到檢修處理，造成電力電氣設備在保護不完善或沒有保護的狀態(tài)下運行。（3）電力電氣設備內部電子元器件增多也使設備自身出現(xiàn)故障的機率增多。（4）電力電氣設備使用者不按生產廠家的要求操作，把電力電氣設備的保護裝置甩掉不用，使設備在缺少保護的情況下運行，如將饋電開關中的故障跳閘線圈封死，不讓其跳閘。

五、智能控制單元系統(tǒng)設計

（一）硬件設計

礦山電氣設備智能控制單元的工作原理是：首先將檢測的電信號分別經電壓變送器和電流變送器，變成0-1v的電壓信號，再經測量放大器放大成0。5V的電壓信號，送至CPU，由CPU內A/D轉換器將其變成數字信號后，CPU隨即進行相應的計算和處理，計量數據經過總線緩沖驅動器顯示在液晶屏上，CPU在對保護數據進行相應的邏輯判斷后，通過總線緩沖驅動器對繼電器直接操作或者發(fā)出閉鎖信號。CPU定期對開關量輸入狀態(tài)、開關量工作狀態(tài)及鍵盤、保護接口進行掃描和檢測，完成對保護對象的狀態(tài)監(jiān)測和人機交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通過串口電路向調度中心發(fā)送數據或接收指令，復位電路能使系統(tǒng)自動復位。由于單片機具有性能高、速度快、價格低、體積小、穩(wěn)定可靠、使用方便靈活等優(yōu)點，因而常常被用在智能監(jiān)控裝置（儀器）控制中。由于智能控制單元必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時及時判斷出故障點并能及時切斷故障電流，在系統(tǒng)正常工作時，控翎單元必須有能力及時處理大量實時動態(tài)數據，因此智能控制單元對硬件CPU的實時性、快速性、準確性和多功能性要求很高，為此在硬件設計時選用了實時性和快速性都非常好的PIC16F877A單片機作為中央處理器。基于單片機PICl6F877A的智能控制單元的硬件總體結構它主要由以下部分組成：（1）由CPU、時鐘電路和復位電路組成CPU最小工作系統(tǒng)。（2）由電流互感器、電壓互感器、電流變送器、電壓變送器、模擬開關、放大器以及CPU的A/D轉換模塊組成數據采集模塊。（3）12路開關量輸入和3路開關量輸出組成I/O功能模塊。（4）由4×4鍵盤和液晶顯示組成的人機對謠陵塊。（5）由漏電閉鎖模塊、通信模塊、聯(lián)控模塊、故障存儲模塊、實時時鐘模塊以及電源模塊構成智能控制單元的功能電路模塊。

（二）軟件設計

由于該系統(tǒng)是對斷路器的開合進行控制并要求對電壓、電流進行實時采樣計量，因此必須對每周波20ms的正弦電流信號進行采樣，采樣點選為12個點，那么每2個采樣點之間的時間間隔為1.667ms，利用PICl6F877A的定時器TMR2來進行采樣周期定時，每隔1.667ms進行一次中斷，中斷由統(tǒng)一的中斷調度程序進行統(tǒng)一的調度，采用軟件工程中的業(yè)務流結構發(fā)生一次中斷后由調度程序決定執(zhí)行哪一組任務，每2個采樣點之間安排一系列的任務，并且每組任務在1.667ms內都能執(zhí)行一遍，但是由于本軟件系統(tǒng)配備有人機交互界面，鍵盤顯示程序是所有任務中最為耗時的程序，它的執(zhí)行必然超過1.667ms，因此在不影響系統(tǒng)的實時性能的前提下采用關中斷的結構，在鍵盤顯示執(zhí)行完畢以后開中斷來執(zhí)行下一組任務，經實驗證明這樣的做法是切實可行的。12個采樣點會有12組任務，在采樣點內的任務在文中稱內部任務。

每2個采樣點之間都分配有若干個任務，由于任務的執(zhí)行時間也長短不一，這樣就必然會在某2個采樣點之間存在空閑的時間未被分配，這一部分的時間可以留作日后軟件升級時使用，這樣使軟件系統(tǒng)還有很大的升級空間。第一組任務至第十一組任務的執(zhí)行都嚴格的控制在1.667m以內執(zhí)行完畢，第十二組任務比較特殊，如前所述鍵盤顯示程序耗時很長，經實驗測得顯示一個漢字占1.341ms，顯示一個ASCII碼要占用2.55ms。因此在1.667ms這樣的時間內顯示大量的漢字以及ASCII碼是不可能的，如果不關中斷會導致顯示不正常，因此在不影響實際需要的實時性能的前提下，采用關中斷的方法禁止定時器2的中斷，待顯示完畢后開放中斷，然后繼續(xù)執(zhí)行第一組任務，雖然關中斷的方法會影響系統(tǒng)的實時性能，但是由于這一點的時間損失都在毫秒級，經實驗和現(xiàn)場的使用情況來看是不影響系統(tǒng)的實時性能的，因此這種方法是切實可行的。每一組任務都是一個功能模塊，該系統(tǒng)包括電流保護模塊、電壓保護模塊、絕緣電阻保護模塊、數據采集模塊、遠控模塊、通訊模塊、聯(lián)控模塊、時鐘模塊、故障存儲及查詢模塊和鍵盤顯示模塊等，以上各個功能模塊在主程序的統(tǒng)一調度下完成各自的功能。

六、結束語

由上文可知，下電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設計是煤礦工程發(fā)展的核心。在煤礦工程的后續(xù)發(fā)展中，我們要高度重視電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設計，確保煤礦工程的發(fā)展。

［1］劉芳霞.井下電力系統(tǒng)中無功補償的研究［J］.機械制造與自動化，2015（2）：15-16.

［2］陳世建.縱瑞梅.井下電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計［J］.煤炭技術，2014（12）：4-7.