矿井智能供电监控系统设计及应用研究

2022-05-30周玖璘

能源与环保 2022年5期

樊军，周玖璘

(乌海市公乌素煤业有限责任公司，内蒙古乌海 016000)

煤矿开采中离不开电力能源的支持，很多机电设备都需要电力能源才能够正常运行，照明、排水、通风、运输等都需要电力能源作为基础[1]。矿井供电系统的稳定可靠运行是保障煤矿生产过程持续进行、确保井下人员安全的关键。矿井供电是一个非常复杂的系统，包含有很多硬件设施，比如主配电站、移动变电站、开关设备等，而煤矿的工作环境相对比较复杂，供电系统容易受到外部因素影响出现故障问题[2]。在工程实践中发现井下供电系统特别容易出现短路、过流、过压等故障问题，虽然电路中会设置短路保护和漏电保护等防护措施[3]。但如果矿井供电系统出现问题，轻则影响煤矿开采效率的提升，严重时引发设备甚至人员伤亡事故[4]。针对以上问题，有必要结合实际情况设计智能供电监控系统，利用该系统对矿井供电过程进行实时监控，掌握矿井供电系统的运行状态，及时发现存在的故障隐患，或者出现问题后能及时定位故障问题，缩短故障排除时间[5]。本文主要介绍了矿井智能供电监控系统的设计过程，以及系统在煤矿工程实践中的应用情况，对于提升矿井安全具有一定的实践意义。

1 整体方案设计

为了能够实时掌握矿井供电系统的运行状态，确保矿井供电安全，结合实际情况设计了矿井智能供电监控系统。系统主要由3大部分构成，分别为井下监控单元、地面集控中心、地面与井下之间的通信网络。矿井智能供电监控系统主要功能结构框图如图1所示。

图1 监控系统主要功能结构Fig.1 Main functional structure of monitoring system

1.1 井下监控单元

井下监控单元的主要作用是对矿井供电系统运行状态信息进行实时采集，需要采集的数据信息包括保护装置状态、电压、电流、功率、开关动作参数等[6]。通过数据运算判断供电系统运行状态，是否存在故障问题或安全隐患，将采集获得结果在显示屏上进行显示，以便井下工作人员能及时查看。设置有报警电路，如果出现故障问题，利用报警电路可以向外发出警报。考虑到井下监控单元涉及多个硬件设置，相互之间会有通信接口，比如CAN、RS-485通信接口等，为了确保通信过程的可靠性和稳定性，需要使用带隔离的抗干扰的通信接口。井下监控单元需要将采取获得的信息上传至地面集控中心，同时要接受并执行集控中心下达的指令。

1.2 地面与井下的通信网络

井下监控单元采集获得的数据信息，需通过网络传输到地面集控中心，考虑到井下和地面之间的距离较远，利用工业以太网对数据信息进行传输。井下各个监控单元之间通过CAN网络实现相互之间的数据传输[7]。所有的通信网络都设置了带隔离的抗干扰的电路，以保障数据传输过程的安全性和可靠性。这样能够保证地面集控中心的上位机能够安全地与井下各个监控单元进行连接。

1.3 地面集控中心

地面集控中心的作用是对井下各个监控单元的数据信息进行收集与整合，同时将数据信息存储到数据库中。根据具体情况下达监控指令，实现远程控制。可对整个智能供电监控系统的参数进行设置，基于收集的参数判断故障问题位置。

2 井下监控单元设计

2.1 主控制器选型及外围电路设计

(1)主控制器选型。监控系统中选用的控制器型号为STM32，控制器基于CORTEX-M3内核研制，属于32位处理器，具有非常强大的数据运算性能[8]。正常工作时最高频率可以达到72 MHz，工作电压可以在2.0～3.6 V内变化。控制器具有114个引脚，且超过80%属于通用型I/O接口，可以实现与多种类型硬件设施的连接，实现功能拓展和数据交互。内部集成的12位模数转换器的数量为2个，可以对0～3.6 V的电压信号进行转换。拥有的CAN接口、SPI串行接口、USART接口的数量分别为2个、2个和3个。整体而言，STM32控制器的性能优异、成本低、运行时的功耗也比较低，在工业领域具有良好的应用。

(2)外围电路设计。STM32控制器外围电路原理如图2所示，涉及的外围电路主要包括电源电路、晶振电路、复位电路和JTAG接口电路。JTAG接口电路的主要作用是下载相关的程序对控制器进行在线调试。复位电路的作用是对控制器进行重启复位，图中符号B为复位按钮。当按钮B没有被按下时，复位电路处于高电平状态，此时系统不会进行复位处理，如果将按钮B按下，复位电路会处于低电平状态，此时控制器会对相关设置进行复位处理。晶振电路的作用是为控制器提供外部时钟信号，本系统中选用的外部晶振频率大小为8 MHz。电源电路的作用是为控制器及配套硬件设施提供电源，选用的本质安全型电源型号为CSTI-I，可以输出电流和电压分别为1 A和18 V的直流电源，配合使用电源转换电路，可以将其转换成不同的电压大小供不同硬件设施使用。

图2 STM32控制器外围电路原理示意Fig.2 Schematic diagram of peripheral circuit of STM32 controller

2.2 监控单元信号采集电路设计

(1)频率信号采集电路设计。频率信号采集电路原理如图3所示，为了确保数据信号传输过程的安全性，需要基于光电耦合器TLP521-4设计电路实现监控单元内部电气与传感器之间的有效隔离。光电隔离的基本原理是将电信号转变为光信号，再转变为电信号，可有效规避监控单元内部电路与传感器之间的直接电气联系，同时保障信号的可靠性，不出现信号畸变问题。

图3 频率信号采集电路原理示意Fig.3 Schematic diagram of frequency signal acquisition circuit

图3中，R10—R13电阻可设置为750 Ω，避免电流过大对芯片造成损伤。正常情况下传感器输出的频率信号为标准方波，由于矿井环境整体较为复杂，可能导致相关信号出现畸变问题，如果对该信号直接进行处理可能会引起不必要的误差，系统中利用反向触发器74HC14N对信号进行矫正处理。频率信号矫正前后对比情况如图4所示。完成矫正后的信号通过I/O引脚输入到STM32控制器中。

图4 频率信号矫正前后对比情况Fig.4 Comparison of frequency signal before and after correction

(2)开停信号采集电路设计。开停信号采集电路主要对3种状态信号进行识别，分别为传感器本身没有输出，即0 mA，电气设备处于停机或开启状态，对应的电流信号分别为1 mA和5 mA。STM32控制器中每2个I/O引脚可以对1台机电设备的运行状态进行识别。具体识别方法为：如果2个引脚同时采集获得高电平信号，则对应的电气设备处于“开”状态，用“11”表示“开”状态；如果2个引脚采集到的信号分别为高电平信号和低电平信号，则对应的电气设备处于“关”状态，用“01”表示“关”；如果2个引脚同时采集获得低电平信号，则表示传感器没有输出任何信号，用“00”表示传感器的异常状态。

(3)电流信号采集电路设计。利用传感器检测获得的通常为4～20 mA的电流模拟量信号，此信号通常需要将其转换成为电压信号后才能输入到控制器中进行分析与处理。考虑到控制器STM32能够识别的电压信号范围为0～3.6 V。因此，系统中设计的电流转换信号大小为0～3.3 V。但当模拟量信号大小为4 mA时，很难通过转换电路将电压值调整为0，所以需要通过运放运放OP07以及调压器TL431对信号进行调整，最终实现电流信号4～20 mA向电压信号0～3.3 V的转换。电流信号采集电路原理如图5所示。

图5 电流信号采集电路原理Fig.5 Principle of current signal acquisition circuit

2.3 报警电路设计

监控系统一旦检测发现矿井供电线路存在安全隐患或故障问题时，需向外发出警报，主要是利用报警电路来实现报警功能，监控单元报警电路的原理如图6所示。由图6可知，报警电路通过I/O引脚实现与STM32控制器的连接，电路中最重要的是继电器，还包含有对应的驱动电路。供电网络处于正常状态时，继电器处于断开状态，如果存在故障问题时，控制器会下达指令使继电器闭合，从而触发报警功能。

图6 监控单元报警电路原理示意Fig.6 Schematic diagram of alarm circuitof monitoring unit

3 监控系统的通信系统设计

3.1 通信系统整体方案

位于井下的监控单元采集获得的状态数据信息，需要通过通信网络系统传输到位于地面的集控中心。地面集控中心下达的控制指令，需要通过通信系统传输到井下监控单元才能得以执行。因此，通信系统是智能监控系统中的重要构成部分，其运行过程的可靠性会对系统运行的稳定性产生决定性的影响[9]。

矿井智能供电监控系统中涉及的通信类型主要包含3种，分别为CAN总线、工业以太网和RS-485。其中，RS-485通信主要是将井下各类硬件设施与井下监控单元进行连接，实现数据信息交互，比如传感器与监控单元就是基于RS-485串口实现数据传输。CAN总线主要是实现井下各个监控单元之间的连接，各个单元之间可以通过CAN总线实现数据信息的传输与共享，在任何一个监控单元都可以对其他监控单元的数据信息进行查询。井下监控单元与地面集控中心之间基于工业以太网实现数据信息的传输。通信系统主要结构如图7所示。

图7 通信系统主要结构Fig.7 Main structure of communication system

3.2 工业以太网硬件接口设计

利用工业以太网对地面集控中心和井下监控单元进行连接时，需要设计以太网接口，这里选用W5500型以太网控制器芯片。W5500芯片在工业领域具有一定范围的应用，获得了良好的应用效果，该型号芯片能够实现TCP/IP硬件协议栈，还能实现ARP地址解析协议等。芯片正常工作时的频率最高可以达到80 MHz，具有良好的运行性能，同时具备良好的兼容性，可以适应多种类型的工业以太网网络通信模式。可以利用LED灯显示工业以太网的连接状态。W5500芯片与井下监控单元之间的连接如图8所示。

图8 W5500芯片与井下监控单元之间的连接示意Fig.8 Schematic diagram of connection between W5500 chip and downhole monitoring unit

由图8可知，W5500芯片主要通过4个引脚实现与井下监控单元中STM32控制器之间的连接，分别为MOSI、MISO、SCLK、SCSN。其中SCSN引脚的主要作用是对SPI接口进行控制，只有在低电平的情况下该引脚才会起作用。SCLK引脚的主要作用是对时钟信号进行接收。MOSI、MISO引脚的作用是实现W5500芯片和控制器STM32之间数据信息的交互，2个引脚的数据传输方向正好相反。

4 地面集控中心软件设计

4.1 地面集控中心软件主要功能

基于KingView软件平台对地面集控中心的软件程序进行编写，选用的软件平台在工业领域具有广泛的应用，且编写程序非常方便，能够同时与多种设备进行连接[10]。地面集控中心软件主要功能框图如图9所示。

图9 地面集控中心软件主要功能框图Fig.9 Main function block diagram of ground centralized control center software

集控中心设置有操作台和监控大屏，在操作台上可以实现对集控中心软件的操作或设置，软件程序主要包含有6个功能。井下监控单元采集获得的数据信息会存储到数据库中进行管理，且数据以图形化形式进行呈现，工作人员可直观了解和掌握井下供电网络的运行状态。对于故障数据和报警数据，系统会单独存储，以便后续调取查阅。

4.2 监控主界面设计

位于地面集控中心的监控主界面需要对井下供电网络的运行状态信息进行实时展示，主要包括有功功率、无功功率、开关分合状态、电流、电压、功率等用电信息。需要对上述信息进行图形化展示，能导出日报表、月报表等。

矿井智能供电监控系统的主界面如图10所示。从图10中可以看出，监控系统可以对矿井中的主要电气设备的用电量信息进行实时展示。

图10 矿井智能供电监控系统主界面Fig.10 Main interface of mine intelligent power supply monitoring system

监控系统运行过程中，一旦检测发现井下供电网络存在故障问题或安全隐患时，会立即向外发出报警信号。对于监控系统主界面，主要是以弹窗形式弹出相关数据信息，确保监控人员能及时发现问题。弹窗信息主要包括报警内容、时间、超限参数等。只有登录系统获得权限的人员才能接收到报警弹窗信息，只有具有一定权限的账号才能对报警信息进行确认，如果工作人员不对报警信息进行确认，则报警弹窗会一直显示在监控界面。

5 应用情况

为了对设计的矿井智能供电监控系统的性能和运行可靠性进行测试，将监控系统部署到煤矿工程实践中，经过现场调试后发现系统整体运行良好，各项功能都能正常实现。供电监控系统正式投入运行以后，能对整个矿井的中央变电所、各个盘区的变电站、移动变电站、高压配电装置、照明系统等的运行情况进行连续准确的监控，为矿井供电系统的稳定可靠运行奠定了坚实的保障。智能监控系统的成功应用，在很大程度上提升了矿井的智能化和信息化水平，为煤矿开采效率的提升贡献了一定的力量。

利用矿井智能供电监控系统可以对井下主要的机电设备用电数据信息进行采集。根据采集结果可分析判断井下的工作状态，比如对主排水泵运行时的电量信息进行分析，可以获得流量、压力、水位等状态信息。通过对各机电设备用电信息的采集，能分析判断设备的运行状态是否正常。如果发现某机电设备存在安全隐患，可在地面集控中心下达指令，对井下的设备进行停机处理，以保障设备运行的安全性。