三层网络监控的新型煤矿井下电力安全监控系统研究

伍龙，吴永祥，周孟然

（1.淮南师范学院 电气信息工程系；2.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

三层网络监控的新型煤矿井下电力安全监控系统研究

伍龙1，吴永祥2，周孟然2

（1.淮南师范学院 电气信息工程系；2.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

利用嵌入式监控分站作为中继站，智能电力装置面向现场设备进行实时数据采集，结合地面微机管理系统，形成了三层网络监控的新型煤矿井下电力安全监控系统。介绍了系统硬件设计，并完成了系统软件设计和测试，结果表明：监控系统运行正常、动作可靠、灵敏度高、显示正确无误、各项指标均达到了设计要求，实现了三级网络整定保护定值和远程监控，提高了煤矿井下电力安全监控系统的实时数据处理能力。

三层网络监控；电力安全监控系统；嵌入式监控分站；智能电力装置

随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，自动控制系统己在我国煤炭行业得到广泛应用。煤矿供电网络自动化控制系统，目前主要应用于煤矿井上变电所的微机保护、微机管理检测方面，特别是无人值班监测监控系统也得了广泛应用[1-2]。而煤矿井下由于供电网络结构复杂，且受环境、地质条件等因素的制约，影响供电系统运行的不确定因素也较多，因此，对井下供电系统实施监控也十分迫切。

近年来，煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高。但由于人为因素造成的供电事故也时有发生，影响了煤矿的安全生产。

煤矿井下采区变电所服务对象为采煤、掘进、运输、排水等重要坏节，供电负荷种类繁多，区域分布广。负荷工作场所地质条件复杂，而且存在着瓦斯、煤尘、水等有害介质，事故发生率高，故障排查、停送电周期长，影响了采区的安全生产。供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产率。

鉴于此，本文设计了三层网络监控的煤矿井下电力安全监控系统，该系统通过嵌入式监控分站作为中继站，来提高系统采集数据的速度和缩短系统巡测周期，从而提高系统的整体性能，在整个系统结构中起着承上启下的作用。智能电力装置面向现场电力设备进行实时数据采集。

嵌入式监控分站设计了CAN总线通信接口、以太网通信接口和RS-485及RS－232串口，这样就形成了三层网络的监控系统：一、通过RS-485与智能电力装置进行通信，同时通过CAN总线直接连接到地面监控主机，形成一层监控；二、通过以太网通信接口连接到Intranet和Internet上，形成一层远程监控；三、通过智能电力装置形成的现场监控。

1系统结构设计方案及硬件设计[3-6]

本系统的监控对象是井下各变电所里的高低压配电开关，是相对集中的地方。但变电所之间距离往往相距甚远，所以系统具有集散型的特点，本文研制的煤矿供电系统及供电设备的微机监测和管理系统，不仅可以监测供电系统的运行方式和有关的电气参数、电气设备的工作状态，并且可以对全矿所有的供电设备进行动态管理，极大地提高了煤矿电网的管理水平和设备的使用效率，有利于煤矿的安全生产。

井下电力监控系统共分地面微机管理系统、嵌入式监控分站、智能电力装置三部分 （如图1所示）。嵌入式监控分站与智能电力装置之间采用RS-485的通讯方式。地面微机管理系统的监控主机与嵌入式监控分站之间采用高可靠性的CAN现场总线通讯方式。各智能电力装置相互独立，并行工作，各变电所分站也相互独立，互不影响。所以整个系统结构为DCS分布式计算机监测系统，工作可靠高效；分站带备用电池，保证在井下各配电装置出现故障时，系统都能继续可靠工作。

图1 监控系统框图

第一部分，地面微机管理系统主要任务是对整个井下采区变电所的信息进行存储和处理，并通过先进友好的人机界面实现所有采区变电所的监控及管理。其由以太网通信接口、监控主机、其它网络计算机等组成。只有监控主机可以对井下设备变电所内配电设备进行人工控制操作，它直接与通信接口相连，进行数据采集和控制输出，其它计算机可通过局域网显示部分或全部监控画面和数据，但不能进行控制操作。

第二部分，嵌入式监控分站（如图2所示）是本系统设计的核心，其通过网络信息通道收集各前置智能电力终端的上传信息，并传达到地面微机管理系统的监控主机，同时下传监控主机下达的控制和调整命令给所有与它相连的智能电力装置。嵌入式监控分站还可以通过以太网通信接口连接到Intranet和Internet上，实现远程监控。嵌入式监控分站采用AT91RM9200为核心处理器，选用合适的芯片设计完成其存储系统 （包括8MB的Flash、32MB的 SDRAM 和 512KB的 I2C EEPROM）；通信系统（包括1路以太网、2路CAN、1路485、1路USB Host接口、1路USB Device接口和l路232串口）；输入输出系统（包括 32路I/O、8路A/D、2路D/A和2路PWM）；人机接口（包括4个7段LED，一个4×4键盘及1个64×128的LCD显示接口）；支撑电路（晶振、PLL和复位电路）；电源及掉电保护（提供系统需要的5V、3.6V、1.8V电压和实时时钟掉电保护）。因此分站可以提高系统采集数据的速度和缩短系统巡测周期，从而提高系统的整体性能，在整个系统结构中起着承上启下的作用。

图2 嵌入式监控分站设计整体框图

第三部分，面向现场设备的间隔层测控、保护“一体化”智能电力装置，该装置采用统一模块，放置于高、低压开关防爆腔内，形成就地微机保护和SCADA（数据采集和监控）为一体的前置智能测控单元。

图3 智能电力装置总体框图

本系统中智能电力装置主要由电源模块、CPU模块、光电隔离交流采样模块、光电隔离开关采样模块、远动控制模块组成。其核心部分是16位单片机80C196KB。系统时钟由时钟芯片提供，并由控制中心精确对时。网络接口采用RS-485组成的串行接口网络。电源部分采用电源模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工作。智能电力装置总体结构框图如图3所示。

2 监控系统软件设计平台的实现[7-8]

作为整个系统运行的核心，嵌入式软件采用何种方式编写对监控分站性能的发挥起到了至关重要的作用。过去由于受存储技术和微处理器处理速度等因素的限制，写入监控分站的嵌入式程序一般都是一个大循环加上若干个中断服务程序组成。这种编写方式在处理一般的应用中能够胜任，但是在面对多任务、多协议、复杂应用时显然已经不能满足要求。随着内存容量的迅速扩大以及价格的下降和嵌入式微处理器的处理速度的提升，操作系统进入到嵌入式系统中已经成为可能并已经得到了广泛的应用。根据控制器的需求在控制器上移植操作系统是必须的也是可行的。基于嵌入式操作系统的监控分站软件整体设计如图4所示。

图4 嵌入式软件结构框图

系统设计中由移植的嵌入式实时操作系统μC/OS-II统一管理和调度各个任务，在底层编写好硬件驱动程序如CAN总线驱动程序、以太网驱动程序、485驱动程序、串口驱动程序等，对于现场总线和Internet接入编写好CANopen协议栈和TCP/IP协议栈，各个与现场总线相关的任务通过写好API函数访问CANopen协议栈操作CAN总线，与以太网相关的任务通过写好的API函数访问TCP/IP协议栈操作以太网接入Internet。对于一些简单的任务可以通过写好的API函数直接访问硬件完成操作，而一些对时间要求严格的任务或者简单的任务可以直接对硬件操作，完成操作。

2.1 μC/OS-II在 AT91RM9200 上的移植

移植μC/OS-II到不同的处理器上最重要的就是修改三个文件——OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C里的相关代码。由于篇幅的限制，简单介绍移植到AT91RM9200的主要工作：

（1）用#define设置一个常量的值（OS_CPU.H）#define OS_STK_GROWTH 1

设定堆栈指针的增长方向为由高到低。

（2）声明 11个数据类型（OS_CPU.H）

因为不同的处理器编译器对于变量类型分配的位组长度是不一样的，因此为了移植的一致性，在不同的处理器平台上需要重新定义变量类型。如：

ARM体系中有专门的寄存器存储当前处理器的状态，用户通过读取该寄存器可以得到并保存处理器的状态，当需要恢复中断时可以使处理器回到禁止中断前的状态，设计中就是使用了这种方式（METHOD=3）来实现中断的开与关。

ARM体系中提供了软件中断SWI，但因为ADS允许在C语言程序中调用汇编程序，因此这里用汇编语言编写了任务切换函数OSCtxSw（），在C语言程序调用来完成任务的切换。

（4）用C语言编写6个简单的函数（OS_CPU_C.C），OSTaskStkInit（），OSTaskCreateHook（），OSTaskDelHook （ ），OSTaskSwHook （ ），OSTaskStatHook（ ），OSTimeTickHook（ ），其中唯一必要的函数是OSTaskStkInit（），其它5个函数是扩展的关联函数，可以只是声明，当用户需要扩展功能时才需要编写。OSTaskStklnt（）被OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（ ）调用，来初始化任务的堆栈结构，使得堆栈看起来就像刚发生过中断并将所有的寄存器保存到堆栈中的情形一样。

（5）编写 6个汇编语言函数（OS_CPU_A.S）

OSStartHighRdy（ ），OSCtxsw（ ），OSIntCtxSw（ ），OS_CPU_Tick_ISR（ ），OS_CPU_SaveSR（ ），OS_CPU_RestoreSR（）

其中最后2个函数是与OS_CPU.H中用宏声明的控制中断开关的函数汇编语言实现，其它4个按顺序分别是运行最高优先级就绪态任务，任务级的切换，中断中任务切换，系统时钟中断的汇编语言实现。

2.2 应用软件设计实现及系统测试[9]

利用VB和SQL Server数据库技术实现远程监控主机的应用软件设计，根据系统设计方案，对该系统进行了综合调试，结果表明：保护系统运行正常、动作可靠、灵敏度高、显示正确无误、各项指标均达到了设计要求。实现了三级网络整定保护定值和液晶显示。保护定值可以在每台智能电力装置安放的开关、井下嵌入式监控分站和井上调度室三处随时修改，灵活方便。同时这三处都由不同液晶显示实时数据。

在测试中，由于智能终端装置均带有中文液晶显示，显示器会循环显示各点的电流、电压、功率值、断路器状态等信息，记录下这些数据，并与嵌入式监控分站内的显示屏上的数据比较，然后将嵌入式监控分站上显示的某一终端装置的数据与地面计算机屏幕上显示的该分站传来的同一装置的数据进行比较，结果嵌入式监控分站及地面计算机上显示的数据与现场相符、数据一致，这表明嵌入式监控分站与终端装置和地面计算机通信正确。该系统实现了将煤矿供电系统的各终端设备的数据进行TCP/IP协议打包，并发送到监控调度中心，同时可以实现对各终端设备的监测与监控操作，实现了煤矿井下电力系统安全监控网络的新纪元。

图5和图6分别是运行在远程控制中心的监控程序的高爆开关和馈电开关实时运行界面，从中可以看出，所有网络上的串口IP都应该与服务器监控程序建立了连接，进行传输数据。

图5 高爆开关实时显示图

图6 馈电开关实时显示图

监控系统可以对所有连接的串口IP进行修改和设定，也可以对设备的电力参数进行修改和设定，如图7和图8所示。

图7 高爆开关参数设定图

图8 馈电开关参数设定图

限于篇幅，其它功能在此就不进行一一介绍了。

总结

本文针对煤矿井下电力监控的特殊性展开研究，提出了一种多级网络控制的新型煤矿井下电力监控系统，进一步推动了煤矿井下电力监控的智能化、信息化和网络化的发展。使得地面监控调度中心的管理人员可以直接对井下设备进行实时监控，不仅能直观地监测和记录井下电力系统设备的工作状况及安全生产情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手资料。同时可以通过Internet远程监控，实现井下中央变电所、采区变电所的集中管理和无人值守，对于提高供电系统的可靠性和经济运行指标，促进采区供电系统管理的科学化、现代化，有着非常重要的现实意义，是现代化矿井安全生产监控系统的发展方向。

[1]马彩红.煤矿监测监控技术应用现状和发展趋势[J].煤矿自动化，1999，10（2）：12－16

[2]朱大新.变电站综合自动化与无人值班[J].电力系统自动化，1994，18（11）：5-9

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[8]Zeltwanger，Holger.CANopen network specification for lift control system[J].Elevator World，2004，52（3）：101-103

[9]刘韬，骆鹃，何旭洪.Visual Basic 6.0数据库系统开发实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2002

Three layer of network monitoring of new coal mine underground power safety monitoring system research

WU Long，WU Yong-xiang，ZHOU Meng-ran

Use embedded monitoring RACES as Repeaters，intelligent power device for on-site equipment real-time data acquisition，micro-processor management on the ground，formed three layer of network monitoring of new coal mine underground power safety monitoring system.This paper introduces the hardware design，and completed the system software design and test，the result shows that the monitoring system operating normally，reliable operation，high sensitivity，display correct，all indexes meet the design requirements，improve the power safety monitoring system coal mine underground real-time data processing ability.

three layer of network monitoring；power safety monitoring system；embedded monitoring RACES；intelligent power device

TD76-39

A

1009-9530（2011）05-0021-04

2011-04-16

安徽省自然科学基金项目（KJ2010B200）

伍龙（1977-），男，湖南永州人，淮南师范学院电气信息工程系讲师，硕士研究生，研究方向：智能控制、信号处理、电力电子。吴永祥（1944-），男，安徽淮南人，安徽理工大学电气与信息工程学院教授，硕士生导师。周孟然（1965-），男，安徽淮南人，安徽理工大学电气与信息工程学院教授，博士，硕士生导师。