基于PSC技术煤矿井下供电安全监控系统研究

文/黎望怀 常浩 夏旭 李禹 陈娟（湖南安全技术职业学院机电信息学院）

1.引言

我国安全生产形势逐年向好，但煤矿安全事故频发的严峻形势依然存在。2018年6月由工业和信息化部、应急管理部、财政部、科技部联合出台的《关于加快安全产业发展的指导意见》的工作目标指出：突破一批保障生产安全、城市公共安全的关键核心技术，研发一批具有国际先进水平的安全与应急产品，推广应用一批“机械化换人、自动化减人”的安全技术装备。这一目标的提出对煤矿井下供电系统的安全性和稳定性提出了更高的要求。

煤矿井下的智能化设备和智能化控制的应用程度不断提升，对于井下的供电系统和通讯系统提出更加严格的要求。串口通讯以其成本低的特点，在目前工业控制网络中应用非常广泛；但随着煤矿开采难度的提升，通讯数据量急剧加大，显现出其速率低、延迟高的不足；并且不同厂家和型号的保护器存在兼容性、抗干扰能力差的问题。本文提出的PSC可编程串口控制器，是由广东罗尔科技有限公司研发的针对工业RS-485总线通讯的专门设备，具有组态、控制、编程和通讯等多种功能。引入PSC技术可以有效解决煤井现场不同保护器通讯协议的覆盖性问题，构建井下供电监控系统，满足用户使用安全稳定的需求。[1-3]

2.PSC与现场设备通讯原理

现场通讯设备随着智能化程度的不断提升和发展，其控制网络也随之变得更加复杂。由之前的单机或者几台设备发展到成百上千设备的应用，这些设备的通信给传统的串口通信带来的巨大的挑战，容易导致通讯速率低、通讯时间延迟长等缺点。[3]传统的串口通信方式为半双工应用方式，是通过一个主机带多台从机的方式进行，按照地址顺序进行应答处理等进程，采用的是轮询通讯处理，因此如果设备仪表较多，会导致通讯速率低的问题。传统的RS485 通讯模式每个总线上的分机都赋予相应的地址，计算机按照一定的地址顺序对各个设备进行联系。在正式进行通讯之前，计算机需要对所有的设备发送请求帧，分机接受到请求帧后发送应答帧给计算机，计算机收到应答帧后便可以进行相应的通讯。在整个过程中，计算机与每个地址分机之间的上述通讯需一对一按次序循环进行。因此，如果存在分机较多的话，系统数据轮询一次的时间就会大大增加，导致通讯速率低下，这在实时性要求高的的系统中是绝对不允许的。[4]

为了改善通讯速率低的问题，可选择在计算机和分机之间安装由一个主中央处理器模块和多个通讯子中央处理器模块组成的设备。每个设备通讯模块中都有自己的中央处理器和缓存，可以独立进行工作，主中央处理器可以通过内部的高速总线对子模块的缓存进行数据读取，并将数据通过以太网传输给计算机。在计算机和分机之间不进行通讯时，此设备继续和分机之间进行数据通讯，并将相关的通讯数据存储在其设备缓存中，在计算机发出通讯命令后，可以通过以太网迅速将数据成批发给计算机，从而大大降低系统数据的刷新时间。这就是PSC技术解决串口通讯延时高和速率低难题的原理。[5]

3.基于PSC技术煤矿井下供电安全监控系统概述

煤矿的供电安全监控系统一般分为综合监控信息管理层（地面调度中心）、信息处理与监控层和现场控制层三层结构。其中现场控制层以髙速智能可编程串口交换机（控制器）技术研究为背景，搭建基于PSC技术的煤矿井下供电监控系统，可覆盖现场种类和通讯协议繁多的综合保护器。

PSC 的构架核心为ARM处理器，其组成包括5个模块：存储器模块、电源模块、状态显示模块、上位机通讯模块、RS-485串口总线接口。其中：存储器模块用来存储由上位编程软件平台下载的程序；电源模块用于为PSC 提供电源支持；状态显示模块通过LED灯反馈PSC工作状态；上位机通讯模块用于编程软件和组态的软件，网络通讯和串口通讯之间的连接； RS458串口总线接口用于与现场的各个控制设备连接，连接上位机则以通过以太网的方式。

在实际的供电监控系统建设和运行中，由于来自综合保护器的输出信号不能确定是否为本安信号的情况，因此不能通过对其进行关联实验确定其本安特性，因此按照煤矿安全的规章要求在非本安信号和本安设备之间安装一个RS458信号隔离器进行信号隔离处理。[6]

基于PSC技术的供电监控系统可以实现：(1)在地面或者井下任意一个可以连接到环网网络的地方实现对整个系统的监控控制。(2)采用本安型电力监控站，使用防爆兼本安不间断电源进行系统供电，具有掉电保持功能。(3) 地面和井下都可以通过计算机输入设备进行控制，从而实现对供电系统的遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的“五遥”功能。(4)可覆盖现场种类和通讯协议繁多的综合保护器，实时读取开关运行状态和运行参数，控制开关分合，调整开关整定值。（5）运用多线程并行处理技术，可以高效实现数据更新和命令的执行实时性。

4.基于PSC 技术煤矿井下供电安全监控系统的应用

基于PSC 技术煤矿井下供电监控系统的应用结合了国家安全监管监察综合实训基地的模拟巷道实际供电监控系统来进行，旨在对PSC 技术应用的可行性进行验证。该模拟巷道供电监控系统包括中央变电所在内的多个变电所，所使用的综合保护器的种类比较多，产品的生产时间跨度比较大，其中有安华顺诚DSP一台，支持点对点通讯的安华顺诚SDZBW6/10.73C、SDZB-W6/10.73C-GZ共2台。高压开关为无锡昌盛生产的PBG 系列矿用隔爆型高压配电装置，配置的高压馈电综合保护器均支持RS485 串口通讯。低压开关多数为八达电气和浙江恒泰生产，其中配置有八达电气ZNBH-Ⅱ和淮南万泰KB-400 综合保护器，均支持RS485通讯。验证操作前对现场应用的每种设备的通讯协议进行了测试和相关资料的整理，找出所有相关的通信协议。PSC作为现场控制器，不依赖于上位计算机和以太网，是真正的双层控制网络架构，与上位机通讯数据传输速率可达100M，从地面下达指令到现场设备执行反馈及报警故障反馈时间均有大幅度的缩短。通过多次仿真试验和模拟巷道井下现场试验，基于PSC的煤矿井下供电监控系统运行稳定，实现了控制要求，有效解决了现场串口总线通讯在中、大规模应用中速率低、延时长的问题。[7]同时，由于其通讯协议兼容性好，现有的多种厂家品牌的综合保护器设备能够继续使用，大大节省了供电安全监控系统的改造建设成本。

5.结语

本文针对传统煤矿井下供电安全监控系统中存在的通讯效率低下问题展开研究，通过PSC技术的应用，实现对各个供电回路的监测监控，保证电网的安全供电，实现安全事故的提前预警、记录与故障分析，开关定值参数计算及过程整定，从而快速进行故障定位，实现变电所的无人值守，最终实现煤矿电网的数字化、智能化，确保安全生产的顺利进行。本文的研究将进一步提升煤矿的自动化程度，达到安全生产、减员增效的目标，并搭建基于PSC技术的煤矿井下供电监控系统，实现对煤矿供电系统的安全监控，具有重要的理论价值和现实意义。[8]

通过对PSC 技术在煤矿井下供电安全监控系统中的应用，可以看出PSC 技术对于传统的串口通讯效率改善明显。本文提出的创新之处主要包括以下三方面：

（1）针对传统串口通信控制方式的不足，利用高速智能PSC技术进行研发改进，有效的提高井下供电安全监控系统的稳定性、安全性；

（2）改变传统串口通信过程中的以轮询为主的处理方式，采用并行处理的方法，提高安全监控系统的效率；

（3）将被控设备进行分批，实施批量通讯，解决了现场串口总线通讯在中、大规模应用中速率低、延迟时间长的问题，同时，还解决了不同通讯协议设备的兼容性问题。