慈林山煤业变电所监控系统的设计研究

毕铁丹

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司，山西 长治 046605）

1 概 况

煤矿变电所是煤矿生产中的重要部分，在运行中存在设备故障率较高、故障排除效率较低、智能监控能力较弱等问题，对井下变电所的运行安全及正常运行造成了重要影响。加大对变电所中设备运行的安全监控及管理，是保障变电所安全运行的主要工作。以慈林山煤业为例，分析了该矿变电所监控系统存在的问题，结合现有的单片机控制技术，开展了监控系统的总体设计，对系统中的单片机电路、存储电路、CAN 总体通讯电路等关键内容进行设计研究。

2 变电所监控系统存在的问题

慈林山煤业变电所原有监控系统主要针对地面上的变电所进行设计，井下变电所运行情况采用了人员巡视操作的方式进行，存在以下问题。

（1） 地面的调度人员通过电话传输、查看表格数据、数据拷贝等进行等方式进行数据信号的获取，在数据信号、运行状态检测等方面存在延时、信息误报等问题。

（2） 当井下设备出现运行故障时，只能通人员一一排查方式进行检查，设备检查时间较长。

（3） 井下变电所中仅对部分设备安装了简易的检测设备，数据准确性较差，不能全面的对变电所情况进行实时反映。

（4） 现有变电所中未进行智能化远程监控系统的设计，无法通过上机位实时显示变电所设备运行情况。

3 变电所监控系统总体方案设计

煤矿变电所相关参数较多，井下环境复杂，建立的变电所监控系统对变电所中的电流、电压、开关量、温度、开关量等数据进行采集，通过CAN 通讯总线进行数据传输，经过控制中心信号处理后传输至地面上机位中，实现变电所的运行状态监控。设计的变电所监控系统总体结构方案如图1 所示。

图1 总体结构框架Fig.1 Overall structural framework

该方案主要包括3 部分：上端是由计算机、PC 上机位等构成的上机位监控系统；中部采用了CAN 接口的转换接口卡；下端采用了包含CAN 总线控制器及驱动器、数据采集单位、控制节点等构成的数据采集分析部分。整套系统控制核心采用了单片机控制方式，设计了存储电路、CAN 通讯硬件部分、数据转换模块、开关量采集模块等，通过各模块的相互结合，实现煤矿变电所中各类数据采集、处理、控制及通讯等功能。

通过上机位控制操作，向下机位发出相应控制、查询命令，下机位根据信号命令，对变电所中的各类信号进行采集判断，并向上机位发出相应采集数据，若出现超限情况时，则发出相应的报警提，实现对变电所的实时监控。

4 监控系统主要模块设计

4.1 单片机电路设计

单片机是整套监控系统中的核心部件，电路设计采用目前市场上应用较为成熟的AT89C5 型芯片，可实现系统中信号的初始化定义、信号的A/D转换，存储器连接、开关量采集输入、CAN 总线通讯控制等功能，保证了系统稳定性。同时，在单片机电路中设计了电容去耦措施，可有效避免系统电源内部发生相互干扰耦合现象。采用54AC138译码器，能将地址空间划分为若干小块，使地址信号空间的充分利用，防止了空间分散较宽广现象发生。整套单片机电路的电路如图2 所示。

图2 AT89C5 型单片机电路Fig.2 AT89C5 microcontroller circuit

4.2 存储电路设计

存储电路可在系统断电状态下对数据起到有效存储及保存作用。存储器选用大容量、可现场编程的FALSHAT29 型，接口电路设计了8255 扩展接口，为存储器的地址接口提供有效的地址信号，系统中单片机上的I/O 接口也可通过8255 上的并行扩展接口进行连接，8255 上的D0～D7 数据接口可与AT29 存储器数据接口进行连接。存储电路的电路如图3 所示。

4.3 CAN 总线通信电路设计

CAN 总线通讯模块包括CAN 通讯控制器、CPU 微处理器、光电耦合器、CAN 总线接收器等。微处理是整个电路的控制核心，负责对CAN 通讯控制器的初始化作业，之后经过微处理内部的信号处理分析，通过CAN 通讯控制器，实现信号数据的接收和发送。CAN 通讯控制器采用了AT89 型号，具有64 kB 的寻址空间，内部组成包括8 位的C51 微处理、RAM 数据存储器、4 kB 的 ROM 闪存、2 个定时/ 计数器、2 个中断控制系统等。CAN 总线驱动器安装在CAN 总线控制器及CAN通讯线之间，实现电路中电路电平和通讯电路电平之间的连接。为提高CAN 总线通讯中的抗干扰能力，将CAN 通讯控制器上的TX0 与RX0 接口分别与光电耦合器上的6N137 与CAN 总线接收器连接，实现CAN 总线上的电气隔离。

图3 FALSHAT29 型存储电路电路Fig.3 FALSHA 29 storage circuit

5 结 语

系统在慈林山煤业井下变电所进行了6 个月的现场使用验证，系统运行稳定、可靠，数据采集、信号显示、故障报警、数据存储等各项功能均运行正常，实现了变电所设备的实时监控。监控系统应用期间，变电所设备出现了10 次故障，均被检测到，调度人员在监控室就可完成故障的发现，故障排除时间缩短了50%左右，变电所的正常运行时间提高了45%左右。验证了该监控系统的可行性，对提高煤矿生产效率及作业安全具有重要作用。