慈林山煤業變電所監控系統的設計研究

畢鐵丹

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司，山西 長治 046605）

1 概 況

煤礦變電所是煤礦生產中的重要部分，在運行中存在設備故障率較高、故障排除效率較低、智能監控能力較弱等問題，對井下變電所的運行安全及正常運行造成了重要影響。加大對變電所中設備運行的安全監控及管理，是保障變電所安全運行的主要工作。以慈林山煤業為例，分析了該礦變電所監控系統存在的問題，結合現有的單片機控制技術，開展了監控系統的總體設計，對系統中的單片機電路、存儲電路、CAN 總體通訊電路等關鍵內容進行設計研究。

2 變電所監控系統存在的問題

慈林山煤業變電所原有監控系統主要針對地面上的變電所進行設計，井下變電所運行情況采用了人員巡視操作的方式進行，存在以下問題。

（1） 地面的調度人員通過電話傳輸、查看表格數據、數據拷貝等進行等方式進行數據信號的獲取，在數據信號、運行狀態檢測等方面存在延時、信息誤報等問題。

（2） 當井下設備出現運行故障時，只能通人員一一排查方式進行檢查，設備檢查時間較長。

（3） 井下變電所中僅對部分設備安裝了簡易的檢測設備，數據準確性較差，不能全面的對變電所情況進行實時反映。

（4） 現有變電所中未進行智能化遠程監控系統的設計，無法通過上機位實時顯示變電所設備運行情況。

3 變電所監控系統總體方案設計

煤礦變電所相關參數較多，井下環境復雜，建立的變電所監控系統對變電所中的電流、電壓、開關量、溫度、開關量等數據進行采集，通過CAN 通訊總線進行數據傳輸，經過控制中心信號處理后傳輸至地面上機位中，實現變電所的運行狀態監控。設計的變電所監控系統總體結構方案如圖1 所示。

圖1 總體結構框架Fig.1 Overall structural framework

該方案主要包括3 部分：上端是由計算機、PC 上機位等構成的上機位監控系統；中部采用了CAN 接口的轉換接口卡；下端采用了包含CAN 總線控制器及驅動器、數據采集單位、控制節點等構成的數據采集分析部分。整套系統控制核心采用了單片機控制方式，設計了存儲電路、CAN 通訊硬件部分、數據轉換模塊、開關量采集模塊等，通過各模塊的相互結合，實現煤礦變電所中各類數據采集、處理、控制及通訊等功能。

通過上機位控制操作，向下機位發出相應控制、查詢命令，下機位根據信號命令，對變電所中的各類信號進行采集判斷，并向上機位發出相應采集數據，若出現超限情況時，則發出相應的報警提，實現對變電所的實時監控。

4 監控系統主要模塊設計

4.1 單片機電路設計

單片機是整套監控系統中的核心部件，電路設計采用目前市場上應用較為成熟的AT89C5 型芯片，可實現系統中信號的初始化定義、信號的A/D轉換，存儲器連接、開關量采集輸入、CAN 總線通訊控制等功能，保證了系統穩定性。同時，在單片機電路中設計了電容去耦措施，可有效避免系統電源內部發生相互干擾耦合現象。采用54AC138譯碼器，能將地址空間劃分為若干小塊，使地址信號空間的充分利用，防止了空間分散較寬廣現象發生。整套單片機電路的電路如圖2 所示。

圖2 AT89C5 型單片機電路Fig.2 AT89C5 microcontroller circuit

4.2 存儲電路設計

存儲電路可在系統斷電狀態下對數據起到有效存儲及保存作用。存儲器選用大容量、可現場編程的FALSHAT29 型，接口電路設計了8255 擴展接口，為存儲器的地址接口提供有效的地址信號，系統中單片機上的I/O 接口也可通過8255 上的并行擴展接口進行連接，8255 上的D0～D7 數據接口可與AT29 存儲器數據接口進行連接。存儲電路的電路如圖3 所示。

4.3 CAN 總線通信電路設計

CAN 總線通訊模塊包括CAN 通訊控制器、CPU 微處理器、光電耦合器、CAN 總線接收器等。微處理是整個電路的控制核心，負責對CAN 通訊控制器的初始化作業，之后經過微處理內部的信號處理分析，通過CAN 通訊控制器，實現信號數據的接收和發送。CAN 通訊控制器采用了AT89 型號，具有64 kB 的尋址空間，內部組成包括8 位的C51 微處理、RAM 數據存儲器、4 kB 的 ROM 閃存、2 個定時/ 計數器、2 個中斷控制系統等。CAN 總線驅動器安裝在CAN 總線控制器及CAN通訊線之間，實現電路中電路電平和通訊電路電平之間的連接。為提高CAN 總線通訊中的抗干擾能力，將CAN 通訊控制器上的TX0 與RX0 接口分別與光電耦合器上的6N137 與CAN 總線接收器連接，實現CAN 總線上的電氣隔離。

圖3 FALSHAT29 型存儲電路電路Fig.3 FALSHA 29 storage circuit

5 結 語

系統在慈林山煤業井下變電所進行了6 個月的現場使用驗證，系統運行穩定、可靠，數據采集、信號顯示、故障報警、數據存儲等各項功能均運行正常，實現了變電所設備的實時監控。監控系統應用期間，變電所設備出現了10 次故障，均被檢測到，調度人員在監控室就可完成故障的發現，故障排除時間縮短了50%左右，變電所的正常運行時間提高了45%左右。驗證了該監控系統的可行性，對提高煤礦生產效率及作業安全具有重要作用。