监控系统在煤矿井下供电过程中的设计应用*

李 冰

(山西新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045400)

0 引 言

我国是煤矿开采大国，国家及企业对煤矿资源的开采力度呈现出逐渐加大趋势，越来越多的煤矿设备被应用到了井下煤矿任务中，如采煤机、掘进机、刮板输送机等，各类设备在正常运行时，增加了井下的整体耗电量，保证井下的安全、稳定供电，成为提高煤矿开采效率及设备工作安全的关键[1]。目前，某矿井下虽设计了一套相对稳定的供电系统，但在实际供电使用过程中仍存在工作温度过高、供电系统无过流过压保护、无统一的远程监控平台、线路短路或烧坏等故障现象，井下一旦出现短路或其他故障现象，将极可能使得设备无法正常作业，并构成严重的安全隐患[2]。

设计一套远程监控系统来实现对井下供电过程的全面监控及安全保障显得十分有必要。为此，结合当前井下供电系统存在问题基础上，开展了井下供电过程的监控系统升级设计研究和关键分系统设计，通过对该监控系统的现场应用测试，验证了该系统的可行性及可靠性，对降低井下电量消耗，减少企业电费支出、保证供电过程的安全性具有重要意义。

1 现有井下供电监控系统存在问题分析

随着国家科学技术水平的不断提升，当前井下供电系统在稳定性方面也得到了一定程度的提升，但在实际运行过程中仍存在较多问题，包括如下几点[3]：

(1)供电系统中使用的相关保护器及传感器型号种类较多，通讯接口的标准及通讯协议缺乏统一规定，设备之间若进行相互通讯，存在兼容性较差问题。

(2)由于当前供电系统的接口单一、部分检测设备未进行匹配设计，若在此基础上进行系统的升级扩展，存在无法进行有效兼容问题。

(3)供电系统中的CPU处理器存在运算速度较慢、信号处理量较低、整体控制精度较低等问题，若增加井下供电设备及供电过程的监控功能，当前的CPU已无法满足更复杂系统的运算需求。

(4)大多供电系统采用的是串行通讯总线进行通讯连接，存在信号易受干扰、传输距离短、信号衰减率高、通信质量差等问题，这可能极大的影响着整个供电系统的稳定性护可靠性[4]。

为此，结合当前井下供电系统存在的不足，有针对性的设计一套功能更加齐全、控制精度更高的自动化远程监控系统，成为当前企业重点考虑方向。

2 供电监控系统的升级设计

以当前井下供电系统为设计基础，开展了井下供电监控系统的升级设计研究。整套监控系统包括了测控装置、RS485接口、CUP控制器、存储单元、以太网接口、电源模块、人机交互界面、监控主机等部分，其框架图如图1所示。

图1 井下供电监控系统框架图

测控装置包括了电路温度、功率、电流、漏电情况等方面的传感器，在对电路进行信号采集后，通过RS485接口将信号传输至CUP控制器中，在CPU中能对所采集信号进行转换、分析、判断等处理，所有分析处理后的数据也将通存储单元进行实时保存。经CPU处理后的信号在以太网接口的作用下传输至显示界面及监控主机中，以将线路的中的各类信号通过显示界面进行实时显示，人员也可通过显示界面上的操作按钮来对线路中的相关部件进行远程操作。为保证整个系统具有较高的抗干扰能力和低能耗，选用了ARM7LP2148型微处理器[5]，系统的操作系统则采用了硬件核心和OS-Ⅱ嵌入式操作系统，提高了系统整体的运算能力。通过此监控系统，不仅提高了整个供电过程的安全性，也使得人员能直观的对供电过程进行远程监测及控制，整体自动化水平明显提高。

3 供电监控系统关键分系统设计

3.1 主控制器模块设计

合理选择最佳的CPU控制器，不仅能提高监控系统的运行速度，也对保障系统信号的稳定性至关重要。为此，选用了市场上成熟的ARM7LP2148型CPU微处理器，该处理器采用了Flash存储器，配备了128位宽度的存储器接口，能保证在32位代码下的最大时钟高速运行。同时，能通过16位的Thumb模式降低系统中的有效代码30%，以减小因代码是损失所造成的信号误报现象[6]。另外，该处理器中的指令集及译码机制与传统的计算机更为简单，提高了系统的运输能力。整体价格较为低廉，能较好的满足井下供电监控系统的使用需求。

3.2 通讯接口设计

由于井下环境的恶劣性，经常会有各类干扰信号对供电系统进行干扰。为减小此信号对整个供电系统的影响，选用了RS485接口和CAN总线来进行数据传输。由于CAN总线具有较高的通讯能力及实时性，也适合较远的传输距离，故在监控平台设计了1路CAN总先接口，其余几路采集线路则主要以RS485接口为主。整个监控系统中通讯接口的电路连接图如图2所示。

图2 RS485及CAN总线通讯电路图

3.3 存储单元模块选型设计

为实现对井下供电过程中的相关数据进行实时存储，在监控系统中需配备存储单元模块。为此，选用了市场上成熟的AT24LC256存储单元模块，该模块的工作电压为1.8～5.5 V，最大传输速率为100 kHz，内部通过CAN总线进行接口通讯，具有硬件写保护、擦写和200以上的数据保存能力。该模块在与监控系统进行硬件电路连接时，配备了两个4.7 K的上拉电阻，以对存储模块中的高平和低平进行保护，电阻的另一端则主要与SDA和SCL引脚端进行连接，模块中的DC3.3 V电压分别为AT24LC256存储单元模块上的8脚和上拉电阻进行连接。存储单元模块的电路图如图3所示。

图3 AT24LC256存储单元模块电路连接图

3.4 液晶显示模块设计

为更加直观的将井下供电状态参数进行实时显示和控制，选用了SSD1289型液晶显示模块，该显示模块中采用了240RGB×320TFTLCD型控制器，具有较高的显示精度及显示效果，界面上的相关按钮采用了触摸屏方式进行操作控制。界面上也设置了确认、向上、向下、取消、复位等功能按钮，能分别实现对供电参数、历史信号查询、供电参数修改、开关查询等不同功能的切换操作。同时，为提高显示器模块的抗干扰性能，在与供电系统进行电路连接时，增加了6N137光电隔离器，以此保证信号的稳定性。整个液晶显示模块的电路连接图如图4所示。

图4 存储单元模块电路图

4 现场应用评价

在完成井下供电监控系统的总体设计后，将其在井下现场进行了现场应用测试，测试周期为5个月，主要是将该监控系统与当前井下供电过程进行通讯集成连接。在测试过程中，该监控系统运行良好，能实时的将井下供电过程中的电流、电压、功率、设备通讯速率及漏电情况等进行快速分析及液晶显示器上的实时显示，供电系统的现场显示界面如图5所示。

图5 监控系统现场显示界面图

在测试过程中，供电过程也出现了过压和过流的故障现象，此时该监控系统及时的发出了相应的报警提示及启动了切断分电路的保护模式，整个保护过程无需人员到井下进行操作控制，通过监控中心即可找到供电过程出现的故障类型及故障发生位置。据人员介绍，该监控系统的成功应用，不仅提高了整个供电过程的安全性，也降低了人员的劳动强度和井下设备的耗电量，大大简化了人员的操作步骤及过程，得到了大家的一致好评和认可。具有重要的实际推广应用价值。

5 结 语

提高井下供电过程的操作简便性及安全性，将更加先进的控制技术应用到井下供电监控系统中，是当前实现井下智能化改造的重要方向。为此，在分析当前井下供电系统存在的薄弱问题基础上，开展了更加先进的监控系统在井下供电过程的应用研究，并对系统中的关键分系统进行了设计，通过对系统的应用测试得出：升级后的供电监控系统具有更高的运行效果，在实现对供电过程中电流、电压、功率等参数实时运算及显示基础上，也实现了对供电过程的过流、过压及故障定位等功能显示，系统的智能化程度显著提高。但在智能化供电监控系统应用后，工作人员也需定期对电路进行巡查，排除其他各类因素对井下供电线路的影响。该设计对提高井下供电过程的安全性及降低设备电费支出具有明显的实际意义。