煤礦井下供電智能監控系統設計與研究

朱小軍

(西山煤電(集團)有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

煤礦井下供電系統用于維持井下采掘、運輸、通風、排水等重要井下電氣設備的正常工作，主要由井下變電站、配電設備和高低壓開關裝置等組成，其運行可靠性及穩定性是井下安全、高效生產的重要保障。受井下復雜惡劣的工作環境及供電設備移動頻繁等因素影響，井下供電系統經常存在負荷波動劇烈、無計劃停電、越級跳閘及故障難以定位處理等問題，使得高低壓開關、電纜、局扇等電氣設備故障頻繁，極易發生瓦斯、煤塵爆炸等重大事故。因此通過現代化供電監控系統保證井下的可靠供電對于煤礦安全生產至關重要[1-3]。

目前國內許多中小型煤礦針對井下供電系統的監控及故障預警診斷仍采用傳統的人工巡檢方法，不僅耗費大量人力，同時受井下復雜環境的影響，人工巡檢通常無法準確找出故障點及故障原因，不能準確掌握各井下供電所的實際運行情況，因此需要通過更為智能的監控系統對井下供電設備及網絡進行動態監測及全面故障定位報警。由于國內針對采煤機監控系統技術起步較晚，多數監控系統的監測范圍不夠全面，各模塊間數據交互性差。針對上述問題，本文設計了一套基于工業以太環網架構的煤礦井下智能供電監控系統，通過地面控制中心、監控分站及現場監測設備的聯合測控實現更為全面的井下供電設備監控，從而有效地保證了井下供電系統的可靠運行。

1 供電監控系統總體方案設計

在對井下供電監控系統進行設計前，首先需明確系統的主要功能[4]。本文所設計的井下供電監控系統的主要目標首先是實現系統各級數據的網絡交互，使系統具備向上一級傳輸數據的能力，其次是實現井下供電設備的遙測、遙信、遙控、遙調、遙視等一系列功能，系統具體功能如下：

(1) 數據采集監測功能。位于井下變電所的高開綜保測控裝置可以對所內設備的運行數據進行實時采集并上傳至監控分站，地面監控中心可以通過上位機對井下各監控分站所采集的運行數據進行實時顯示監測和分析處理。

(2) 遠程控制功能。地面監控中心可以通過監控主站對井下各供電設備進行遠程控制，如各綜保測控裝置參數的遠程設定及分合閘遠程操控，從而實現井下無人值守供電系統的功能。

(3) 故障預警功能。當井下供電設備發生故障或超過閾值時，系統可自動進行聲光報警并發送保護、跳閘等信號，同時系統還可對故障類型、發生時間等信息通過上位機進行顯示，以便分析故障原因。

(4) 數據存儲功能。系統支持各類運行數據的實時存儲及查詢，并可通過上位機軟件繪制相應日負荷曲線、功率因數曲線和有功曲線等。

根據上述對系統功能的分析，本文基于工業以太環網對整個監控系統進行架構，系統整體可分為井上監控層、井下監控層和現場設備層，系統整體結構如圖1所示。

井上監控層主要由監控計算機、數據服務器、UPS不間斷電源和打印機等設備組成，監控主站內部集成有井下供電監控軟件，可實現對井下供電設備的遠程控制、監測及運行數據的分析存儲等功能[5，6]。井下監控層主要由井下監控分站和光纖交換機組成，其中監測分站位于各井下變電所，通過RS-485通信方式采集并處理變電所供電設備的運行狀態參數，實現就地監控。另一方面監控分站還需通過由光纖交換機所組成的工業以太環網與井上監控中心進行遠距離通信，用于井下供電數據的實時上傳及監控主站控制、報警指令的執行。現場設備層主要由位于高低壓開關或配電柜內的高開綜保測控裝置、傳感器、電能計量表、PLC控制模塊等組成，用于井下各類供電設備運行參數的采集與上傳，并執行由上一級下達的相應控制、報警及保護等指令。

圖1 供電監控系統總體結構

2 硬件方案設計

本監控系統硬件設計部分主要包括地面調控中心硬件設計和井下供電監控分站硬件設計。地面調控中心是管理整個供電系統及供電設備的樞紐，其硬件主要包括數據服務器、通訊服務器、監控主站和UPS電源等。

地面調控中心配置有2臺數據服務器，用于采集上傳至地面調控中心的各類運行及測量數據。在對數據服務器進行設計選擇時，需滿足以下條件：①具備數據實時采集功能，可接收各類遙測、遙信等類型的數據，并可對終端數據進行定時采集；②具備通道控制功能，可對各設備所占用的通道進行開通、關閉等操作；③具備數據處理功能，通過數據服務器系統可對各模擬參數設置閾值，當采集數據超過閾值時即生成報警記錄；④具備數據存儲功能，數據服務器可對用戶的各類操作、報警及通訊事件進行記錄和存儲，便于隨時調用；⑤能夠支持多種通訊通道及通訊協議。

地面調控中心配置1臺通訊服務器，用于監控主站、各監控分站及數據服務器之間的數據互傳、通訊通道監視、協議轉換、數據格式化等操作。本系統的通訊服務器接口采用以太網接口模式，并采用主-備用雙機運行模式，正常情況下只有服務器主機處于工作狀態，完成系統的數據傳輸等工作，當服務器主機退出運行時，即啟用備用機完成主機工作[7，8]。

井下監控分站的作用是實現井下供電系統運行數據的實時上傳及監控主站控制、報警指令的執行，本系統選用KXB-110型井下電網測控分站與井下高開綜保裝置實現通訊，同時完成與地面監控主站間的數據上傳及指令下達。KXB-110監控分站由通訊管理機、冗余光纖交換機、人機交互界面及UPS組成，其中通訊管理機為DA600型嵌入式通訊計算機，具有8路串口及1路10/100 Mb/s以太網口，可完成與高開綜保裝置的通訊；EDS-510A型光纖交換機具備6口100/1 000BaseT(X)，采用Turbo Chain冗余環網，自愈時間<20 ms，大大提高了網絡可靠性；UPS后備電源可在停電后持續供電3 h，信號傳輸距離>30 km，完全滿足本系統傳輸及采集需求。

3 軟件方案設計

監控系統軟件部分主要分為地面監控中心軟件及井下監控分站軟件兩部分，其中地面監控中心軟件主要包括操作系統、數據庫系統及監控應用系統三部分。操作系統采用Windows 10專業版，確保系統具有良好的兼容性及操作性；監控應用系統軟件采用VC6.0開發環境，以組態支撐平臺為中心，包含通訊管理模塊、組態工具、人機交互界面、參數庫管理、運行狀態監控、數據存儲和報表打印等模塊，可完成監控系統的主要監測及管理功能；數據庫系統采用SQL2000數據庫管理系統，數據庫管理程序流程如圖2所示。

圖2 數據庫管理程序流程圖

井下監控分站軟件包括操作系統及數據庫管理系統兩部分。操作系統統一采用Windows 10專業版，可完成各數據的收發、串口及USB通信和中斷操作等功能，相應主程序及串口通信流程如圖3、圖4所示。數據庫管理軟件仍采用SQL2000數據庫系統，并采用Century Star組態軟件進行設計。

圖3 監控分站操作系統主程序流程圖

圖4 串口通信程序流程圖

4 結束語

本文針對傳統井下供電監控系統的不足，基于工業以太環網及現場總線通信技術設計了一套監測參數全面、數據交互性強、運行穩定性高的智能井下供電監控系統，可實現井下供電設備及網絡運行狀態的實時監測與故障精準定位，保證井下供電系統的安全穩定運行。