礦井地面供電系統改造設計與應用*

李亞斌

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山發電廠，山西 方山 033100)

0 引 言

地面供電系統作為整個礦井供電系統的組成部分，其工作的安全性和穩定性至關重要，不僅關系煤礦井下工作面能否可靠工作運行，還與井下工作人員的生命安全息息相關[1-3]。某煤炭企業因地面供電系統使用年限較長，地面供電系統落后，現已不能夠很好的滿足煤礦地面安全生產的要求，存在明顯的老化現象，大大降低了地面供電系統運行的可靠性，急需進行改進設計?？刂葡到y作為礦井地面供電系統的重要組成部分，其工作的運行的穩定性極為關鍵，是井下供電系統正常供電的控制中心，只有保證其技術的先進性才能確保煤礦井下煤炭掘進設備的安全穩定及煤炭的產能和效率[4]。在線監測系統作為近年來發展起來的先進控制技術，廣泛應用于各個領域，現已取得了很好的應用效果，尤其在服役環境極為苛刻場景中工作的監測系統，更加凸顯出在線監測系統的重要性。相關研究表明[5]，礦井地面供電系統引入較為先進的在線監測系統之后，不僅能夠提供地面供電系統的工作可靠性，還能降低地面供電系統的運行維護成本，為煤炭企業創造更多的經濟效益。因此，針對某煤炭企業地面供電系統可靠性較低的現狀，筆者以其控制系統為研究對象，重點通過地面供電系統的改造設計工作，達到提高地面供電系統可靠性的目的，對提高煤炭生產產量和效率具有重要意義。

1 改造要求

地面供電控制系統改造設計需要適應當前控制系統發展的趨勢，并用計算機技術和網絡通信技術，使地面供電控制系統實現以下功能：①實時監測地面供電系統中各類開關、變壓器、供電線路等的運行狀態；②實現地面供電系統中各類開關、電氣控制元件等的遠程控制，方便地面供電系統的集中控制；③實現地面供電系統運行數據的實時存儲，為系統運行維護人員進行故障排查提供重要系統運行數據；第四是控制系統需要具有很好的可擴展性，使地面供電系統覆蓋面積可增可減。

2 方案設計

煤礦地面供電系統較為復雜，電路電纜布置不規律，各個電路的功能差異較大。眾所周知，復雜的電路系統控制過程中產生的電路反饋信息會很多，因此控制系統的數據庫搭建工作較為關鍵，需能夠對采集得到的數據進行分類處理。地面供電系統原有的開關控制功能多以繼電器實現，具有明顯不足，為了提高地面供電系統的工作可靠性，將繼電器控制改進為PLC控制，由計算機編程實現地面供電系統弱點控制強電的目的，實現便捷的開關控制功能。如圖1所示，結合某煤炭企業地面供電系統的實際情況，完成了控制系統的方案設計，包括軟件系統結構、輸入輸出驅動、綜合接入網關、環網交換機等部分。

圖1 地面供電控制系統方案

3 硬件設計

改造之后的地面供電控制系統所涉及的硬件主要包括PLC控制器、綜合接入網關和環網交換機，它們是保障地面供電控制系統功能可靠實現的基礎，具體的選型與配置參數如下。

3.1 PLC控制器

地面供電控制系統改造用PLC控制器取代原有的繼電器，實現了計算機編程控制地面供電控制系統的目的。PLC控制器作為地面供電控制系統的核心器件，其工作的可靠性極為關鍵，結合地面供電控制系統實際情況，選擇了西門子生產的S7-200系列CPU226的 PLC。PLC控制器中配置中央處理器、數據存儲器和信息通信等模塊，具備較強的數據采集、分析、處理和存儲的能力，能夠根據地面供電系統的實際情況采集得到可靠的監控數據，之后進行邏輯分析，實時顯示在控制系統監控界面當中供監控人員觀察掌握地面供電系統的實際運行情況。中央處理器主要負責采集數據的運算處理；數據存儲器主要負責實時存儲地面供電系統運行數據，由ROM和RAM兩部分構成；通信系統主要負責實時數據信息的傳輸，遠程控制指令的發送等。S7-200系列CPU226的 PLC結構組成如圖2所示。

圖2 PLC結構組成

3.2 綜合接入網關

改造地面供電系統中的綜合接入網關主要負責完成地面供電系統中各個分支電路及開關等電氣控制元件監測數據的集中采集，匯總之后通過光纖將其傳輸至集中控制平臺進行顯示[7]。綜合接入網關的內核控制器型號為ARM9，自身操作系統采用的VxWORKS系統，通信過程使用了CAN總線，具有可靠的數據采集匯總與數據信息傳輸性能，具備跨平臺、跨總線的數據傳遞功能。

3.3 環網交換機

環網交換機作為煤礦地面供電控制系統中極為重要的元器件，應用于地面供電控制系統當中具有重要作用，具有輸電局域廣的特點。環網交換機現場安裝過程清晰、操作流程簡易、使用維護方便快捷，以此同時，遇到危險情況可以自動發出感應報警信號，因此，將其接入地面供電控制系統能夠很好的實現地面供電系統的監測與自動控制動作。地面控制系統環網交換機工作原理如圖3所示，連接著地面供電系統監控中心及各個分站控制點，實現整個供電系統的實時監測與遠程控制功能。

圖3 環網交換機工作原理

3.4 信號處理模塊

監測系統信號處理模塊用于接收來自各種傳感器實時采集的狀態信號，經過處理完成模擬量到數字量的轉換，獲得便于傳輸和存儲的數字量信號。監控系統選擇與CAN總線配套的iCAN3800作為信號處理器，可在5～1000 kbps的波特率條件下實現與CAN總線的通訊。iCAN3800模塊工作時，自身的8路模擬量輸入通道可以并行運行，獨立進行信號處理任務，具備每秒輪詢數據500次的能力，能夠確保數據傳輸和通信的實時性和可靠性。i CAN3800信號處理模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 iCAN3800信號處理模塊工作原理

4 軟件設計

地面供電系統軟件系統設計涉及組態數據庫、事件庫、優先級庫、歷史數據庫、實時顯示數據庫等5部分，具體設計功能如下。

4.1 組態數據庫

組態數據庫的主要任務是梳理特殊命令數據、反饋信息、數據屬性等，同時還能夠梳理與時間相關的動態數據信息。系統設計時搭建組態數據庫時，采集得到的數據處理之后生成組態信息數據并存儲。

4.2 事件庫

地面供電系統運行時突發的各種事件均會由事件庫進行分析處理并存儲，以便為供電系統運行和維護人員提高事件發生過程的數據進行參考，提高故障事件的排查效率。系統事件庫工作時能夠及時反饋數據、分析調用數據、快速控制供電系統元器件等，當供電系統發生故障或者突然報警時能夠快速開展故障排查與處理。

4.3 優先級數據庫

地面供電控制系統中的優先級數據庫運行過程中可以直接調用實時顯示數據庫中的信息，進行分類存儲，確定相關數據的優先級。優先級數據庫與時間相關，設計優先級數據庫時將其內部時間與計算機時間同步，保證了采集得到數據的先后，很好的完成優先級的劃分。

4.4 歷史數據庫

歷史數據庫搭建的任務是完成過去一定時間內數據的記憶存儲，為供電系統運行維護提供數據參考，達到需要相關數據時能隨時調用，供相關人員進行數據分析。歷史數據庫的建設減小了數據接口及緩存器的重擔，其設計過程中使用了數據緩存技術的應用，緩存空間大小的設置依據計算機內存和硬盤空間確定，確保歷史數據庫具有足夠的數據存儲量。

4.5 實時顯示數據庫

實時顯示數據庫作為地面供電系統中負責數據交換的部分，對其進行了數據訪問接口進行了優化，實現了數據的實時獲取的目的。與此同時，為了確保調用的數據能夠實時獲取，對其進行了索引算法的改進，實現了數據實時顯示的目的。

4.6 輸入輸出驅動

地面供電控制系統中的輸入輸出驅動接口主要實現監測數據與PLC控制器之間的數據傳輸，確保數據傳輸的實時性，實現數據實時分析處理與存儲，同時也具備控制指令的發送等功能。

5 應用效果評價

基于某煤炭企業地面供電系統存在的安全可靠性能較低的情況，完成了地面供電控制系統的改造設計工作，將其應用于煤礦地面供電系統中進行試運行，結果表明，系統運行較穩定，提高了企業地面供電系統的可靠性。統計結果顯示，地面供電系統故障率降低了近15%，故障排查時間減少約12%，節約了系統運行維護人員2～3名，降低了煤炭企業的生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100萬/年，取得了很好的應用效果。保證了煤礦井下作業環境的安全。