基于PSC技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

文/黎望懷 常浩 夏旭 李禹 陳娟（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院機電信息學(xué)院）

1.引言

我國安全生產(chǎn)形勢逐年向好，但煤礦安全事故頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢依然存在。2018年6月由工業(yè)和信息化部、應(yīng)急管理部、財政部、科技部聯(lián)合出臺的《關(guān)于加快安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》的工作目標(biāo)指出：突破一批保障生產(chǎn)安全、城市公共安全的關(guān)鍵核心技術(shù)，研發(fā)一批具有國際先進(jìn)水平的安全與應(yīng)急產(chǎn)品，推廣應(yīng)用一批“機械化換人、自動化減人”的安全技術(shù)裝備。這一目標(biāo)的提出對煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

煤礦井下的智能化設(shè)備和智能化控制的應(yīng)用程度不斷提升，對于井下的供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)提出更加嚴(yán)格的要求。串口通訊以其成本低的特點，在目前工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用非常廣泛；但隨著煤礦開采難度的提升，通訊數(shù)據(jù)量急劇加大，顯現(xiàn)出其速率低、延遲高的不足；并且不同廠家和型號的保護器存在兼容性、抗干擾能力差的問題。本文提出的PSC可編程串口控制器，是由廣東羅爾科技有限公司研發(fā)的針對工業(yè)RS-485總線通訊的專門設(shè)備，具有組態(tài)、控制、編程和通訊等多種功能。引入PSC技術(shù)可以有效解決煤井現(xiàn)場不同保護器通訊協(xié)議的覆蓋性問題，構(gòu)建井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，滿足用戶使用安全穩(wěn)定的需求。[1-3]

2.PSC與現(xiàn)場設(shè)備通訊原理

現(xiàn)場通訊設(shè)備隨著智能化程度的不斷提升和發(fā)展，其控制網(wǎng)絡(luò)也隨之變得更加復(fù)雜。由之前的單機或者幾臺設(shè)備發(fā)展到成百上千設(shè)備的應(yīng)用，這些設(shè)備的通信給傳統(tǒng)的串口通信帶來的巨大的挑戰(zhàn)，容易導(dǎo)致通訊速率低、通訊時間延遲長等缺點。[3]傳統(tǒng)的串口通信方式為半雙工應(yīng)用方式，是通過一個主機帶多臺從機的方式進(jìn)行，按照地址順序進(jìn)行應(yīng)答處理等進(jìn)程，采用的是輪詢通訊處理，因此如果設(shè)備儀表較多，會導(dǎo)致通訊速率低的問題。傳統(tǒng)的RS485 通訊模式每個總線上的分機都賦予相應(yīng)的地址，計算機按照一定的地址順序?qū)Ω鱾€設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系。在正式進(jìn)行通訊之前，計算機需要對所有的設(shè)備發(fā)送請求幀，分機接受到請求幀后發(fā)送應(yīng)答幀給計算機，計算機收到應(yīng)答幀后便可以進(jìn)行相應(yīng)的通訊。在整個過程中，計算機與每個地址分機之間的上述通訊需一對一按次序循環(huán)進(jìn)行。因此，如果存在分機較多的話，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輪詢一次的時間就會大大增加，導(dǎo)致通訊速率低下，這在實時性要求高的的系統(tǒng)中是絕對不允許的。[4]

為了改善通訊速率低的問題，可選擇在計算機和分機之間安裝由一個主中央處理器模塊和多個通訊子中央處理器模塊組成的設(shè)備。每個設(shè)備通訊模塊中都有自己的中央處理器和緩存，可以獨立進(jìn)行工作，主中央處理器可以通過內(nèi)部的高速總線對子模塊的緩存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給計算機。在計算機和分機之間不進(jìn)行通訊時，此設(shè)備繼續(xù)和分機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并將相關(guān)的通訊數(shù)據(jù)存儲在其設(shè)備緩存中，在計算機發(fā)出通訊命令后，可以通過以太網(wǎng)迅速將數(shù)據(jù)成批發(fā)給計算機，從而大大降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)的刷新時間。這就是PSC技術(shù)解決串口通訊延時高和速率低難題的原理。[5]

3.基于PSC技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)概述

煤礦的供電安全監(jiān)控系統(tǒng)一般分為綜合監(jiān)控信息管理層（地面調(diào)度中心）、信息處理與監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層三層結(jié)構(gòu)。其中現(xiàn)場控制層以髙速智能可編程串口交換機（控制器）技術(shù)研究為背景，搭建基于PSC技術(shù)的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，可覆蓋現(xiàn)場種類和通訊協(xié)議繁多的綜合保護器。

PSC 的構(gòu)架核心為ARM處理器，其組成包括5個模塊：存儲器模塊、電源模塊、狀態(tài)顯示模塊、上位機通訊模塊、RS-485串口總線接口。其中：存儲器模塊用來存儲由上位編程軟件平臺下載的程序；電源模塊用于為PSC 提供電源支持；狀態(tài)顯示模塊通過LED燈反饋PSC工作狀態(tài)；上位機通訊模塊用于編程軟件和組態(tài)的軟件，網(wǎng)絡(luò)通訊和串口通訊之間的連接； RS458串口總線接口用于與現(xiàn)場的各個控制設(shè)備連接，連接上位機則以通過以太網(wǎng)的方式。

在實際的供電監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和運行中，由于來自綜合保護器的輸出信號不能確定是否為本安信號的情況，因此不能通過對其進(jìn)行關(guān)聯(lián)實驗確定其本安特性，因此按照煤礦安全的規(guī)章要求在非本安信號和本安設(shè)備之間安裝一個RS458信號隔離器進(jìn)行信號隔離處理。[6]

基于PSC技術(shù)的供電監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)：(1)在地面或者井下任意一個可以連接到環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的地方實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控控制。(2)采用本安型電力監(jiān)控站，使用防爆兼本安不間斷電源進(jìn)行系統(tǒng)供電，具有掉電保持功能。(3) 地面和井下都可以通過計算機輸入設(shè)備進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視的“五遙”功能。(4)可覆蓋現(xiàn)場種類和通訊協(xié)議繁多的綜合保護器，實時讀取開關(guān)運行狀態(tài)和運行參數(shù)，控制開關(guān)分合，調(diào)整開關(guān)整定值。（5）運用多線程并行處理技術(shù)，可以高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和命令的執(zhí)行實時性。

4.基于PSC 技術(shù)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

基于PSC 技術(shù)煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合了國家安全監(jiān)管監(jiān)察綜合實訓(xùn)基地的模擬巷道實際供電監(jiān)控系統(tǒng)來進(jìn)行，旨在對PSC 技術(shù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行驗證。該模擬巷道供電監(jiān)控系統(tǒng)包括中央變電所在內(nèi)的多個變電所，所使用的綜合保護器的種類比較多，產(chǎn)品的生產(chǎn)時間跨度比較大，其中有安華順誠DSP一臺，支持點對點通訊的安華順誠SDZBW6/10.73C、SDZB-W6/10.73C-GZ共2臺。高壓開關(guān)為無錫昌盛生產(chǎn)的PBG 系列礦用隔爆型高壓配電裝置，配置的高壓饋電綜合保護器均支持RS485 串口通訊。低壓開關(guān)多數(shù)為八達(dá)電氣和浙江恒泰生產(chǎn)，其中配置有八達(dá)電氣ZNBH-Ⅱ和淮南萬泰KB-400 綜合保護器，均支持RS485通訊。驗證操作前對現(xiàn)場應(yīng)用的每種設(shè)備的通訊協(xié)議進(jìn)行了測試和相關(guān)資料的整理，找出所有相關(guān)的通信協(xié)議。PSC作為現(xiàn)場控制器，不依賴于上位計算機和以太網(wǎng)，是真正的雙層控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與上位機通訊數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100M，從地面下達(dá)指令到現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行反饋及報警故障反饋時間均有大幅度的縮短。通過多次仿真試驗和模擬巷道井下現(xiàn)場試驗，基于PSC的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了控制要求，有效解決了現(xiàn)場串口總線通訊在中、大規(guī)模應(yīng)用中速率低、延時長的問題。[7]同時，由于其通訊協(xié)議兼容性好，現(xiàn)有的多種廠家品牌的綜合保護器設(shè)備能夠繼續(xù)使用，大大節(jié)省了供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造建設(shè)成本。

5.結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的通訊效率低下問題展開研究，通過PSC技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對各個供電回路的監(jiān)測監(jiān)控，保證電網(wǎng)的安全供電，實現(xiàn)安全事故的提前預(yù)警、記錄與故障分析，開關(guān)定值參數(shù)計算及過程整定，從而快速進(jìn)行故障定位，實現(xiàn)變電所的無人值守，最終實現(xiàn)煤礦電網(wǎng)的數(shù)字化、智能化，確保安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。本文的研究將進(jìn)一步提升煤礦的自動化程度，達(dá)到安全生產(chǎn)、減員增效的目標(biāo)，并搭建基于PSC技術(shù)的煤礦井下供電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦供電系統(tǒng)的安全監(jiān)控，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。[8]

通過對PSC 技術(shù)在煤礦井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以看出PSC 技術(shù)對于傳統(tǒng)的串口通訊效率改善明顯。本文提出的創(chuàng)新之處主要包括以下三方面：

（1）針對傳統(tǒng)串口通信控制方式的不足，利用高速智能PSC技術(shù)進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)，有效的提高井下供電安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性；

（2）改變傳統(tǒng)串口通信過程中的以輪詢?yōu)橹鞯奶幚矸绞剑捎貌⑿刑幚淼姆椒ǎ岣甙踩O(jiān)控系統(tǒng)的效率；

（3）將被控設(shè)備進(jìn)行分批，實施批量通訊，解決了現(xiàn)場串口總線通訊在中、大規(guī)模應(yīng)用中速率低、延遲時間長的問題，同時，還解決了不同通訊協(xié)議設(shè)備的兼容性問題。