煤矿井下电力监测监控系统及其改进方案
2012-10-09张魏魏
张魏魏
(徐州煤矿机械厂，徐州 221004)
1 引言
在目前的矿井开采中，井下供电系统经常出现开关保护误动的现象，造成井下局部或者更大面积的停电事故。事故发生后，由于缺乏电网的实时监测监控，对事故发生的地点和原因不详，恢复供电需要很长的时间，容易影响矿井安全生产。因此，对井下电力实现自动化远程监测监控管理，供电系统的运行状态、故障诊断、技术参数以及停送电操作的管理很有必要。
众所周知，井下变电站实时监控系统的关键在于大量的现场采集信息和数据快速、准确、实时上传到监控中心，并能将监控中心下达的控制命令准确无误的传送到控制单元，及时采取措施避免事故发生，这就需要可靠的通信保障。因此在江苏大屯煤矿对其井下供电系统进行了改造，同时引入了煤矿井下电力自动化远程监测监控系统，并对数据中心站通信系统进行改进，使之更适合现代化煤矿发展的需要。
2 整体系统结构
系统主要由地面监控室、数据中心站、井下监控分站三大部分组成，可实现快速故障诊断，保证系统的实时性、确定性和可靠性。系统结构图如图l所示。
图1 整体系统结构
2.1 地面监控中心
此部分主要配置包括上位机组态软件、地面工控机(有一台为热备机)、打印机及配套设备组成。
上位机系统设计是基于组态王6.5通用工控组态软件，它是工控系统的人机界面，是基于Windows NT/2000/XP操作系统。上位机具有良好的开放性和灵活性的组态软件，提供友好的、易于操作的画面风格，能准确的模拟被监控现场的实际画面，使看到画面就像看到现场一样，例如井下电力系统的模拟量显示图、分/合闸控制显示图、定值修改显示图、虚拟仪器显示图等都能显示出来。
2.2 井下监控分站
井下监控分站，主要用于与井下配电设备的综合保护装置的通讯。监控分站把智能终端保护器的各种数据传送给地面监控中心工控机，另外，把工控机发出的控制指令(定值修改、分/合闸操作、装置复归)传送给智能终端保护器，由智能终端保护器来执行工控机的命令，从而可靠地完成对被控设备的控制。
2.3 数据中心站
数据中心站，是井下电力监测监控系统的关键，在于它能将井下大量的现场采集信息和数据快速、准确、实时上传到监控中心，并能将监控中心下达的控制命令准确无误的传送到控制单元，及时采取措施避免事故发生。煤矿井下电力监测监控系统的主要网络结构，如图2所示。
图2 系统网络结构
从图中可以看出，上位机到井下监控分站之间的传输介质为光纤，井下监控分站到下位机(各个开关综合保护器)之间的传输介质为通信电缆，他们采用的是高可靠性的CAN现场总线通信方式。
下位机包括高压防爆开关、低压真空馈电开关及磁力启动器等智能综合保护装置，智能综合保护装置都是通过RS－485通信电路与监控主机通信，从而可在主机上完成远方合闸、分闸、修改参数、查询开关状态等操作。由此就造成了监控分站与下位机之间要有一个RS485转CAN总线的转换来实现。现实中既要满足下位机(各种开关)的要求，又要满足与上位机的通信，很多厂家的RS485－CAN转换器不能适合本系统的要求，与此系统不匹配。因此针对这种情况，我们设计了一种专门针对此监控系统的RS485－CAN转换器，以此实现井下数据传输。
2.3.1 RS485－CAN 转换器硬件设计
煤矿井下电力监测监控系统中RS485－CAN转换器硬件部分由以下几部分组成:AT89C52控制器、SJA1000T独立的 CAN控制器、TJA1050收发器、6N137光电隔离器。控制器AT89C52负责SJA1000T的初始化，通过控制TJA1050来实现数据的接收和发送等通信任务。
此转换器不仅与上级监控分站通信，还可独立与其他各节点通信。我们这里采用AT89C52微处理器，在需要和监控分站或其它节点通信时，其通过P0口向SJA1000T的寄存器发送信息，再由TJA1050把信息传递到CAN总线上。分站和其他通信节点判断接收报文的标识符，将对接收到的信息作相应的处理，从而实现通信功能，如图3所示。
图3 转换器通信原理
其主要电路设计思路:
(1)微处理器AT89C52通过P0口向SJA1000T的寄存器发送信息，其引脚P2.7接CAN控制器SJA1000T的片选信号/CS，处理器C52和CAN控制器SJA1000T分别使用用12 MHz、16 MHz的晶振，以提高通信速率;
(2)TJA1050–高速CAN收发器，输入电平为5V。其特点在于:高速、抗电磁干扰(EMI)能力极强、无待机模式等。收发器TJA1050的引脚8(Rs)用10 kΩ的电阻连接，实现抗干扰的作用;
(3)图3中应为两个高速光电耦合隔离器件6N137，由于6N137输出引脚的驱动能力不够，需要连接一个约360 Ω的上拉电阻，以增加输出引脚的驱动能力;
(4)此设计还用了一个看门狗电路，看门狗芯片用MAX813，使系统受到强干扰时能自动复位，防止程序发生死循环，或者程序跑飞。另外用MAX485SCA作为RS－485的接口芯片，将单片机串口引出的TTL信号转化为RS－485信号，主要电路如图4所示。
图4 主要电路图
2.3.2 系统通信模块的软件设计
通信模块的软件由5部分组成:初始化程序，发送程序和接受程序、中断服务程序和错误处理程序，仅这几部分程序，就能完成通信信息的传递。
主程序流程图如下:
图5 主程序流程图
SJA1000T CAN总线控制器的初始化、发送程序和接收程序，在此不做赘述，我们只介绍一下主程序部分:
Void USART init(void)
{
UCSROB=0x9C;
UCSROC=0x36;
UBRRPOL=0x2F;
PORTD.4=0;//MAX485收发控制
DORD.4=1;
}
//发送10个数据，其中第一个数据是地址信息，其他是数据信息
Void TXD(unsigned char*datas)
{
unsigned char i=0;
PORTD.4=1;//使MAX485处于发送状态
while(i＜amount)//一共发送amount个数据
{
while(UCSROA＆32)==0);//等待发送缓冲器空闲
//第一字节是地址信息(第9位=1)其他的是数据信息(第9位=0)
if(i==0)USCROB=1;
else UCSROB＆=254;
UDRO=*(datas+i);//装载数据开始发送
i++;
}
while((UCSROA＆64)==0);
UCSROA=64;//清除发送结束标志
PORTD．4=0;//使MAX485 处于接收状态
}
3 系统功能
通过网络通讯技术、现场总线技术、上位机、工控机等完成井下配电设备数据的采集、显示、保存和查询，以及对井下配电设备进行适当的控制。具体功能如下:
(1) 井下电网参数的显示和记录，如ABC三相的电流、零序电流、线电压、零序电压、绝缘信号和相敏信号;
(2) 地面计算机给井下每一台配电开关，分布一个通讯地址，在井上就可以通过输入通讯地址来查询开关的运行状态，即实现遥信、遥调、遥控、遥测，可对井下设备进行远程参数整定、修改及远程分合闸等操作;
(3) 当井下设备发生如过压、欠压、断相、漏电、过载、短路等故障时，利用系统的声光报警功能，可精确显示故障设备的故障性质和位置;
(4) 生成每台配电开关的电能统计日、月、年报表，并可打印，以方便电能消耗的统计;
(5) 实现多种查询功能，如井下电网参数的历史记录查询、报表查询、报警记录查询等。
4 结束语
目前，在江苏大屯煤矿对其井下供电系统、通信系统进行改造以后，该系统安全稳定，能够实时监测井下供电系统各级电压值，负载电流值，功率值及开关的运行状态，并能够查看相关值的历史曲线; 能对各个配电设备的保护值进行整定和修改，通过在上位机的操作实现远程分合闸; 能够对井下电网的数据实时采集处理，对其出现的短路、过载、过压、漏电等各种系统故障进行实时告警和定位; 另外，系统还预留了视频及WEB 接口，便于将来系统的扩展。通过在该矿的实际应用，说明了该系统技术先进、功能完善、可靠性高，提高了生产效率，为煤矿的井下电力安全提供了很好的保障，产生了很好的经济和社会效益。
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