煤礦變電所自動化控制系統設計改造及應用*

陳 健

(西山煤電鎮城底礦機電科外圍隊，山西 太原 030200)

0 引 言

煤礦綜采、掘進工作面各種大型機電設備的運轉離不開電力系統，電力為煤礦生產的動力源泉。變電所作為煤礦的關鍵分系統，其主要包括有一次系統和二次系統。其中，一次系統主要負責對工作面、地上電力的傳輸、分配以及電壓的轉換任務；二次系統主要負責對現場各用電設備狀態的監測、控制、保護以及狀態記錄等任務。實現變電所二次系統的自動化控制，是提升煤礦安全生產的基礎，是提高煤礦生產效率的關鍵[1]。因此，針對當前變電所自動化控制水平低且可靠性低的問題，筆者著重對煤礦變電所自動化控制系統的結構進行研究，并完成其控制邏輯的設計，旨在提高變電所控制水平的同時保證煤礦的高質高效生產。

1 工程概況

在實際生產中，變電所的故障和對設備保護的延遲性導致工作面生產效率低下且安全性低，為此在當前煤礦以太網的基礎上，完成煤礦變電所自動化控制系統設計，其中主要是煤礦中央變電所和綜采工作面變電所的自動化控制。基于所設計的變電所自動化控制系統實現對現場用電設備各項參數的接收、監測、控制、保護以及顯示等功能。具體研究內容如下：

(1)在當前煤礦信息傳輸平臺的基礎上，基于以太環網為核心實現井上下各類信號的網絡傳輸。

(2)結合我礦井上、井下所有機電設備的特點提出變電所自動化改造的思路，在完成變電所自動化結構改造的基礎上，根據控制需求完成系統的邏輯設計。

2 信號網絡傳輸平臺的設計

目前，工業生產中實現網絡傳輸功能的核心技術有現場總線技術和工業以太網技術。其中，現場總線技術主要實現現場與控制室之間的信號傳輸，結合現場檢測裝置對設備運行狀態參數進行測量，并對控制信號和非控制系統進行傳輸[2]。盡管，現場總線技術在工業生產中廣泛應用，對于煤礦企業相對復雜且惡劣的生產環境以及高性能、高可靠性、長距離的控制需求，現場總線無法滿足實際控制需求，對實現變電所自動化控制制造了障礙。

對于工業以太網技術而言，以太網通信技術應用于局域網中。工業以太網的關鍵組成包括有應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層以及物理層。與現場總線技術相比，工業以太網技術具有傳輸速率高、運行成本低、應用范圍廣等優勢。故本文將基于以太網技術實現對信號網絡傳輸平臺的設計。

結合西山煤電鎮城底煤礦現場情況，所設計的變電所信號網絡傳輸平臺結構如圖1所示。

圖1 基于以太網通信的變電所網絡傳輸平臺

如圖1所示，所搭建的變電所網絡傳輸平臺的傳輸介質為光纖，依靠工業以太網交換機實現上位機與現場設備的信號傳輸、交換；而且，地面監控中心與井下中央變電所、采取變電所形成環網控制。變電所網絡傳輸平臺的核心設備為以太網交換機，本平臺所選用的以太網交換機的型號為MS4128，配置的介質模塊參數如表1所列。

表1 MS4128以太網交換機介質模塊數量 /個

根據現場控制需求，所設計網絡傳輸平臺主干網的傳輸速率為1000Mbps、屬于隔爆型系統，最大傳輸距離可達到45 km；該信號傳輸平臺可在溫度為-10～45 ℃、周圍濕度不大于95%的環境正常工作[3]。

3 變電所自動化控制系統的結構及邏輯設計

3.1 變電所自動化控制系統的結構設計

基于上述所設計的以太網網絡通信平臺為中間樞紐作為變電所自動化控制系統的網絡控制層，以監控中心為核心的信息層以及以現場離散設備和過程設備為核心的設備層組成整個煤礦變電所自動化控制系統的整體框架，如圖2所示。變電所自動化控制系統采用分層分布、分散集中控制的理念，分為監控中心層、網絡控制層和設備層，各層的功能描述如下：

圖2 變電所自動化控制系統結構框圖

(1)變電所監控中心層主要是對現場設備運行狀態進行監測、控制外，還具備對監測數據進行存儲、記錄、顯示以及故障報警等功能。

(2)網絡控制層為監控中心層和設備層進行通信和信號傳輸的中間樞紐。其中，與監控中心層以RS485總線進行通信；與設備層采用以太網環形傳輸披平臺實現。鑒于煤礦惡劣環境，避免傳輸信號被干擾在傳輸線纜上均做屏蔽處理。

(3)現場設備層主要為對工作面機電設備進行保護、測控的裝置，其主要任務是對機電設備進行保護、測量并控制[4]。

3.2 變電所自動化控制系統的改造

結合城底礦當前變電所控制系統和現場設備情況，為進一步提高整個煤礦電網控制的自動化水平和可靠性，做如下改造：在現有變電所和配電室的基礎上，結合工業以太網傳輸平臺，為變電所控制系統增加2臺煤礦電網監控機；在網絡控制層和設備層之間增加一臺通訊管理機，確保能夠獲取更準確、更全面的現場設備運行參數；在監控中心新增一臺模擬顯示屏，可保證用戶直觀掌握整個煤礦電網的運行狀態[5]。經改造后煤礦變電所自動化控制系統的邏輯拓撲結構如圖3所示。

圖3 煤礦變電所自動化控制系統的邏輯拓撲圖

4 設計應用效果

對西山煤電鎮城底煤礦進行自動化改造后，可有效解決煤礦供電系統對設備控制自動化水平，實現對供電系統的實時監控，并準確快速定位供電系統的故障類型，為維修人員維護設備提供依據。試運行表明，當前供電系統下煤礦各類電氣設備的故障率明顯降低，約降低33%；折算為設備的停機時間約為400 h，從而為煤礦每年增產約為100萬t，按照每噸原煤的利潤為28元計算，經對西山煤電鎮城底煤礦供電系統改造后可增加直接經濟效益為3 000萬元，減少設備的維修費用約為300萬元。

5 結 語

煤礦變電所是工作面高效、安全生產的重要保障，隨著煤礦開采深度的不斷增加和機電設備類型的不斷增加對變電所控制系統的自動化水平和可靠性提出了更高的要求。為此，基于以太網交換機為核心設計以太網網絡通信傳輸平臺，該平臺具有通信速率快、通信距離長以及抗干擾性強等優勢；結合我煤礦變電所當前控制現狀，為其新增電網監控機、通信管理機以及模擬顯示屏等系統，保證變電所自動化控制系統可全面、準確掌握設備運行狀態的同時，為用戶直觀掌握運行狀態提供了平臺。