礦井智能供電監控系統設計及應用研究

樊 軍，周玖璘

(烏海市公烏素煤業有限責任公司，內蒙古 烏海 016000)

煤礦開采中離不開電力能源的支持，很多機電設備都需要電力能源才能夠正常運行，照明、排水、通風、運輸等都需要電力能源作為基礎[1]。礦井供電系統的穩定可靠運行是保障煤礦生產過程持續進行、確保井下人員安全的關鍵。礦井供電是一個非常復雜的系統，包含有很多硬件設施，比如主配電站、移動變電站、開關設備等，而煤礦的工作環境相對比較復雜，供電系統容易受到外部因素影響出現故障問題[2]。在工程實踐中發現井下供電系統特別容易出現短路、過流、過壓等故障問題，雖然電路中會設置短路保護和漏電保護等防護措施[3]。但如果礦井供電系統出現問題，輕則影響煤礦開采效率的提升，嚴重時引發設備甚至人員傷亡事故[4]。針對以上問題，有必要結合實際情況設計智能供電監控系統，利用該系統對礦井供電過程進行實時監控，掌握礦井供電系統的運行狀態，及時發現存在的故障隱患，或者出現問題后能及時定位故障問題，縮短故障排除時間[5]。本文主要介紹了礦井智能供電監控系統的設計過程，以及系統在煤礦工程實踐中的應用情況，對于提升礦井安全具有一定的實踐意義。

1 整體方案設計

為了能夠實時掌握礦井供電系統的運行狀態，確保礦井供電安全，結合實際情況設計了礦井智能供電監控系統。系統主要由3大部分構成，分別為井下監控單元、地面集控中心、地面與井下之間的通信網絡。礦井智能供電監控系統主要功能結構框圖如圖1所示。

圖1 監控系統主要功能結構Fig.1 Main functional structure of monitoring system

1.1 井下監控單元

井下監控單元的主要作用是對礦井供電系統運行狀態信息進行實時采集，需要采集的數據信息包括保護裝置狀態、電壓、電流、功率、開關動作參數等[6]。通過數據運算判斷供電系統運行狀態，是否存在故障問題或安全隱患，將采集獲得結果在顯示屏上進行顯示，以便井下工作人員能及時查看。設置有報警電路，如果出現故障問題，利用報警電路可以向外發出警報。考慮到井下監控單元涉及多個硬件設置，相互之間會有通信接口，比如CAN、RS-485通信接口等，為了確保通信過程的可靠性和穩定性，需要使用帶隔離的抗干擾的通信接口。井下監控單元需要將采取獲得的信息上傳至地面集控中心，同時要接受并執行集控中心下達的指令。

1.2 地面與井下的通信網絡

井下監控單元采集獲得的數據信息，需通過網絡傳輸到地面集控中心，考慮到井下和地面之間的距離較遠，利用工業以太網對數據信息進行傳輸。井下各個監控單元之間通過CAN網絡實現相互之間的數據傳輸[7]。所有的通信網絡都設置了帶隔離的抗干擾的電路，以保障數據傳輸過程的安全性和可靠性。這樣能夠保證地面集控中心的上位機能夠安全地與井下各個監控單元進行連接。

1.3 地面集控中心

地面集控中心的作用是對井下各個監控單元的數據信息進行收集與整合，同時將數據信息存儲到數據庫中。根據具體情況下達監控指令，實現遠程控制。可對整個智能供電監控系統的參數進行設置，基于收集的參數判斷故障問題位置。

2 井下監控單元設計

2.1 主控制器選型及外圍電路設計

(1)主控制器選型。監控系統中選用的控制器型號為STM32，控制器基于CORTEX-M3內核研制，屬于32位處理器，具有非常強大的數據運算性能[8]。正常工作時最高頻率可以達到72 MHz，工作電壓可以在2.0～3.6 V內變化。控制器具有114個引腳，且超過80%屬于通用型I/O接口，可以實現與多種類型硬件設施的連接，實現功能拓展和數據交互。內部集成的12位模數轉換器的數量為2個，可以對0～3.6 V的電壓信號進行轉換。擁有的CAN接口、SPI串行接口、USART接口的數量分別為2個、2個和3個。整體而言，STM32控制器的性能優異、成本低、運行時的功耗也比較低，在工業領域具有良好的應用。

(2)外圍電路設計。STM32控制器外圍電路原理如圖2所示，涉及的外圍電路主要包括電源電路、晶振電路、復位電路和JTAG接口電路。JTAG接口電路的主要作用是下載相關的程序對控制器進行在線調試。復位電路的作用是對控制器進行重啟復位，圖中符號B為復位按鈕。當按鈕B沒有被按下時，復位電路處于高電平狀態，此時系統不會進行復位處理，如果將按鈕B按下，復位電路會處于低電平狀態，此時控制器會對相關設置進行復位處理。晶振電路的作用是為控制器提供外部時鐘信號，本系統中選用的外部晶振頻率大小為8 MHz。電源電路的作用是為控制器及配套硬件設施提供電源，選用的本質安全型電源型號為CSTI-I，可以輸出電流和電壓分別為1 A和18 V的直流電源，配合使用電源轉換電路，可以將其轉換成不同的電壓大小供不同硬件設施使用。

圖2 STM32控制器外圍電路原理示意Fig.2 Schematic diagram of peripheral circuit of STM32 controller

2.2 監控單元信號采集電路設計

(1)頻率信號采集電路設計。頻率信號采集電路原理如圖3所示，為了確保數據信號傳輸過程的安全性，需要基于光電耦合器TLP521-4設計電路實現監控單元內部電氣與傳感器之間的有效隔離。光電隔離的基本原理是將電信號轉變為光信號，再轉變為電信號，可有效規避監控單元內部電路與傳感器之間的直接電氣聯系，同時保障信號的可靠性，不出現信號畸變問題。

圖3 頻率信號采集電路原理示意Fig.3 Schematic diagram of frequency signal acquisition circuit

圖3中，R10—R13電阻可設置為750 Ω，避免電流過大對芯片造成損傷。正常情況下傳感器輸出的頻率信號為標準方波，由于礦井環境整體較為復雜，可能導致相關信號出現畸變問題，如果對該信號直接進行處理可能會引起不必要的誤差，系統中利用反向觸發器74HC14N對信號進行矯正處理。頻率信號矯正前后對比情況如圖4所示。完成矯正后的信號通過I/O引腳輸入到STM32控制器中。

圖4 頻率信號矯正前后對比情況Fig.4 Comparison of frequency signal before and after correction

(2)開停信號采集電路設計。開停信號采集電路主要對3種狀態信號進行識別，分別為傳感器本身沒有輸出，即0 mA，電氣設備處于停機或開啟狀態，對應的電流信號分別為1 mA和5 mA。STM32控制器中每2個I/O引腳可以對1臺機電設備的運行狀態進行識別。具體識別方法為：如果2個引腳同時采集獲得高電平信號，則對應的電氣設備處于“開”狀態，用“11”表示“開”狀態；如果2個引腳采集到的信號分別為高電平信號和低電平信號，則對應的電氣設備處于“關”狀態，用“01”表示“關”；如果2個引腳同時采集獲得低電平信號，則表示傳感器沒有輸出任何信號，用“00”表示傳感器的異常狀態。

(3)電流信號采集電路設計。利用傳感器檢測獲得的通常為4～20 mA的電流模擬量信號，此信號通常需要將其轉換成為電壓信號后才能輸入到控制器中進行分析與處理。考慮到控制器STM32能夠識別的電壓信號范圍為0～3.6 V。因此，系統中設計的電流轉換信號大小為0～3.3 V。但當模擬量信號大小為4 mA時，很難通過轉換電路將電壓值調整為0，所以需要通過運放運放OP07以及調壓器TL431對信號進行調整，最終實現電流信號4～20 mA向電壓信號0～3.3 V的轉換。電流信號采集電路原理如圖5所示。

圖5 電流信號采集電路原理Fig.5 Principle of current signal acquisition circuit

2.3 報警電路設計

監控系統一旦檢測發現礦井供電線路存在安全隱患或故障問題時，需向外發出警報，主要是利用報警電路來實現報警功能，監控單元報警電路的原理如圖6所示。由圖6可知，報警電路通過I/O引腳實現與STM32控制器的連接，電路中最重要的是繼電器，還包含有對應的驅動電路。供電網絡處于正常狀態時，繼電器處于斷開狀態，如果存在故障問題時，控制器會下達指令使繼電器閉合，從而觸發報警功能。

圖6 監控單元報警電路原理示意Fig.6 Schematic diagram of alarm circuitof monitoring unit

3 監控系統的通信系統設計

3.1 通信系統整體方案

位于井下的監控單元采集獲得的狀態數據信息，需要通過通信網絡系統傳輸到位于地面的集控中心。地面集控中心下達的控制指令，需要通過通信系統傳輸到井下監控單元才能得以執行。因此，通信系統是智能監控系統中的重要構成部分，其運行過程的可靠性會對系統運行的穩定性產生決定性的影響[9]。

礦井智能供電監控系統中涉及的通信類型主要包含3種，分別為CAN總線、工業以太網和RS-485。其中，RS-485通信主要是將井下各類硬件設施與井下監控單元進行連接，實現數據信息交互，比如傳感器與監控單元就是基于RS-485串口實現數據傳輸。CAN總線主要是實現井下各個監控單元之間的連接，各個單元之間可以通過CAN總線實現數據信息的傳輸與共享，在任何一個監控單元都可以對其他監控單元的數據信息進行查詢。井下監控單元與地面集控中心之間基于工業以太網實現數據信息的傳輸。通信系統主要結構如圖7所示。

圖7 通信系統主要結構Fig.7 Main structure of communication system

3.2 工業以太網硬件接口設計

利用工業以太網對地面集控中心和井下監控單元進行連接時，需要設計以太網接口，這里選用W5500型以太網控制器芯片。W5500芯片在工業領域具有一定范圍的應用，獲得了良好的應用效果，該型號芯片能夠實現TCP/IP硬件協議棧，還能實現ARP地址解析協議等。芯片正常工作時的頻率最高可以達到80 MHz，具有良好的運行性能，同時具備良好的兼容性，可以適應多種類型的工業以太網網絡通信模式。可以利用LED燈顯示工業以太網的連接狀態。W5500芯片與井下監控單元之間的連接如圖8所示。

圖8 W5500芯片與井下監控單元之間的連接示意Fig.8 Schematic diagram of connection between W5500 chip and downhole monitoring unit

由圖8可知，W5500芯片主要通過4個引腳實現與井下監控單元中STM32控制器之間的連接，分別為MOSI、MISO、SCLK、SCSN。其中SCSN引腳的主要作用是對SPI接口進行控制，只有在低電平的情況下該引腳才會起作用。SCLK引腳的主要作用是對時鐘信號進行接收。MOSI、MISO引腳的作用是實現W5500芯片和控制器STM32之間數據信息的交互，2個引腳的數據傳輸方向正好相反。

4 地面集控中心軟件設計

4.1 地面集控中心軟件主要功能

基于KingView軟件平臺對地面集控中心的軟件程序進行編寫，選用的軟件平臺在工業領域具有廣泛的應用，且編寫程序非常方便，能夠同時與多種設備進行連接[10]。地面集控中心軟件主要功能框圖如圖9所示。

圖9 地面集控中心軟件主要功能框圖Fig.9 Main function block diagram of ground centralized control center software

集控中心設置有操作臺和監控大屏，在操作臺上可以實現對集控中心軟件的操作或設置，軟件程序主要包含有6個功能。井下監控單元采集獲得的數據信息會存儲到數據庫中進行管理，且數據以圖形化形式進行呈現，工作人員可直觀了解和掌握井下供電網絡的運行狀態。對于故障數據和報警數據，系統會單獨存儲，以便后續調取查閱。

4.2 監控主界面設計

位于地面集控中心的監控主界面需要對井下供電網絡的運行狀態信息進行實時展示，主要包括有功功率、無功功率、開關分合狀態、電流、電壓、功率等用電信息。需要對上述信息進行圖形化展示，能導出日報表、月報表等。

礦井智能供電監控系統的主界面如圖10所示。從圖10中可以看出，監控系統可以對礦井中的主要電氣設備的用電量信息進行實時展示。

圖10 礦井智能供電監控系統主界面Fig.10 Main interface of mine intelligent power supply monitoring system

監控系統運行過程中，一旦檢測發現井下供電網絡存在故障問題或安全隱患時，會立即向外發出報警信號。對于監控系統主界面，主要是以彈窗形式彈出相關數據信息，確保監控人員能及時發現問題。彈窗信息主要包括報警內容、時間、超限參數等。只有登錄系統獲得權限的人員才能接收到報警彈窗信息，只有具有一定權限的賬號才能對報警信息進行確認，如果工作人員不對報警信息進行確認，則報警彈窗會一直顯示在監控界面。

5 應用情況

為了對設計的礦井智能供電監控系統的性能和運行可靠性進行測試，將監控系統部署到煤礦工程實踐中，經過現場調試后發現系統整體運行良好，各項功能都能正常實現。供電監控系統正式投入運行以后，能對整個礦井的中央變電所、各個盤區的變電站、移動變電站、高壓配電裝置、照明系統等的運行情況進行連續準確的監控，為礦井供電系統的穩定可靠運行奠定了堅實的保障。智能監控系統的成功應用，在很大程度上提升了礦井的智能化和信息化水平，為煤礦開采效率的提升貢獻了一定的力量。

利用礦井智能供電監控系統可以對井下主要的機電設備用電數據信息進行采集。根據采集結果可分析判斷井下的工作狀態，比如對主排水泵運行時的電量信息進行分析，可以獲得流量、壓力、水位等狀態信息。通過對各機電設備用電信息的采集，能分析判斷設備的運行狀態是否正常。如果發現某機電設備存在安全隱患，可在地面集控中心下達指令，對井下的設備進行停機處理，以保障設備運行的安全性。

6 結論

以礦井供電網絡為研究對象，結合實際情況設計研究了智能供電監控系統，并將其部署的工程實踐中。

(1)智能供電監控系統可以劃分成為3部分，分別為井下監控單元、地面集控中心和通信網絡。各部分之間相互協調配合才能實現供電網絡的準確實時監控，保障供電網絡運行過程的穩定性和可靠性。

(2)井下監控單元主要作用是利用傳感器對供電網絡狀態信息進行采集，監控單元中使用的控制器型號為STM32。控制器與傳感器等硬件設施之間基于RS-485串口實現數據交互，各監控單元之間基于CAN總線實現數據信息共享。

(3)地面集控中心系統主界面可以實時顯示井下各電氣設備的用電狀態信息。一旦出現故障問題或安全隱患，會以彈窗形式進行報警。地面集控中心與井下監控單元之間基于工業以太網實現信息交互。

(4)將設計的智能供電監控系統部署到煤礦工程實踐中，進行測試后正式投入運行，發現各項功能都得以實現，整體運行良好，為供電網絡的穩定運行奠定了堅實的基礎，創造了良好的安全效益。