矿山机械设备自动化供电系统可靠性思考

陈 松

（山西高河能源有限公司， 山西 长治 047100）

引言

近年来，由于我国矿山开采技术的不断进步，为了满足日益增长的矿产需求，各煤矿企业开始不断提升采矿设备的机械化、自动化水平，大功率的矿产传送设备、采矿设备、制动设备、通风设备等被不断应用，导致了矿山机械设备的供电系统工作负荷急剧增加，这些供电设备很多为独立的工作站，结构复杂、可靠性差、反应速度慢，无故障诊断、自动控制功能，无法对矿山机械设备的供电情况进行实时监控、调配、管理，极不利于矿山供电系统的安全、稳定的运行。

为了提高整个矿山机械设备供电系统的安全性、可靠性以及自动化程度，提出了基于总线技术的智能控制、嵌入式系统、工业控制计算机的供电自动化管理系统，该系统的实现对各个机械设备的供电系统进行集中控制、管理，实现基站的无人控制，大幅提高供电系统的安全性和可靠性，改善矿山供电系统的管理水平[1]。

1 自动化供电系统整体结构设计

为了实现对矿山所有机械设备供电系统的集成控制，自动化供电系统应该具有以下关键功能。

1）远程遥控功能。该功能要求自动化系统能够实现对电压、电流等各种模拟信号的采集并且上传到集中控制系统，当集成控制系统接受到反馈信号后根据指令发出控制命令，控制各对象执行总线系统发出的控制指令对电流、电压、短路倍数，过载能力等进行控制。

2）直接显示功能。该功能是指对监控系统监控到的监测信号等进行实时的显示，能够让控制人员直观地了解到各设备的电气控制系统的实时工作情况和状态。

3）断电记忆功能。当各系统发生故障时，集中控制系统能够在第一时间给出控制指令，中断其工作，为了便于工人能够在第一时间查找故障原因并快速修复，要求控制系统能够自动的记录故障发生的时间、地点、故障现象等。

4）采用标准化接口及扩展功能。为保证集中控制系统具有良好的适应性及后期升级能力，要求其采用标准接口及拥有强大的扩展功能，以便其能够很好地适应设备增加、增加监控点等[2-3]。

根据自动化供电系统所需要实现的功能，其集中控制系统主要由集中控制中心、各设备分控制站点、数据传输网络、现场监控系统，其构成示意图如图1所示：

图1 集控系统结构示意图

控制人员通过集控中心的工控机及相应的监控软件能对矿山中所有机械设备的供电系统的工作情况和状态进行实时的监视与控制，图1所示的数据网络是连接集控中心与各设备供电系统的通道，为保证数据、信息传递的迅速、准确，我们采用开发的数据总线标准，网络的传输介质采用的是光纤材质，其波特率可以达到14Mbit/s，能够高效地满足集控系统快速、准确响应的要求，同时由于在设计时即采用了冗余技术，提高了网络数据通信的可靠性。

整个控制网络由光纤系统、光电传感器及网关组成，光电传感器主要用于各分系统所采集信号的汇入，网关主要是统一的管理每一个节点，同时与集控中心进行实时的数据交换。各个信息集成分站主要由PC端，协议转换器及其他外围设备构成，它们不间断的与各点位的监控系统进行信息交换并将收集到的信息进行初步的汇总分析，然后传递给集控中心，同时各分站点也在不断地接受集控中心的控制指令，并将控制指令转换为模拟控制信号传递给现场的监控系统，进行实时控制。现场的监控系统是对设备供电系统进行直接监控、调节、保护的设备，不间断地检测设备的运行情况，实时采集运行数据并传递各信息的分站点，当其接受到集控中心的控制指令后直接进行控制操作，使电控设备按照集控中心的指令进行运行[4]。

2 集控系统主站点的设计

集控系统主站点的主要作用是对从各分站点汇总到的信息进行分析、运算和交换，最终通过屏显功能对整个矿山机械设备的供电系统进行统一的控制和管理，它主要由工控机（1台为备用设备，当主运行工控机出现故障时能够立刻启动备用设备，实现无缝控制，确保整个控制系统的安全可靠）、电源设备、网卡等组成，其结构组成如图2所示。

图2 集控系统主站结构示意图

集控系统主站中控制系统我们可以选择Win7操作系统，监控设备的控制系统可以选用IFIX动画控制软件，其可以将监控信息以动画或者选定的图片形式直观而清晰地显示在屏幕上，控制人员直观地了解整个设备供电系统的运行状态和情况，监控系统与设备的信息交流通常利用监控软件与OLE过程控制技术，其主要特点是把不同设备供应商之间的通讯接口进行标准化，让不同设备间的信息、数据交换更简单、方便，便于后续设备的扩展及增加功能。

3 自动化供电系统分系统结构设计

自动化供电系统分系统的主体结构主要由通信协议换置器、外围系统、光电设备及PC系统组成，如图3所示，分系统主要是负责不间断地收集其控制的设备现场实时监控数据，然后把这些数据转换成协议约定的传输格式并通过Decentralized Periphery网络传递给中央主控系统，最后根据主控系统发出的控制信号进行控制操作[5]。

图3 自动化供电系统分系统结构示意图

因安全设计要求，矿山常用的电压为127V/660V的低压电源，因此在对各分监控点的分站点进行电源选择时，优先选用127 V/220 V、容量为2 kVA的单相变压器，以便将127 V的电压转换为220 V，并通过USP电源对系统进行供电。

矿山设备工作环境极端恶劣，为了确保分系统的稳定、可靠性，需要选择利用防爆式的嵌入式PC及无缝触摸屏结构作为分系统的显示端，触摸屏的显示信号需要从PC端的输出模拟信号的接口进行信号的输出[6]。

控制现场的智能控制系统所收集到的实时数据通过标准协议接口传递给计算机单元，其作为网络主站而现场的监控单元可视为整体控制结构的分单元，在系统控制网络中，为了保证通信的可靠与稳定通常采用具有电磁防护功能的双绞线作为信号通信线路，为了缩短控制及响应时间，总站控制系统与分站控制系统之间的网络连接尽可能地采用直线连接，以缩短彼此之间的距离，缩短控制系统的响应时间。

为了避免计算机与分站电路之间的电磁信号不相互干扰，需要在计算机的入口段增加一个光电耦合器，把计算机及分站电路隔离开来，以保证整个控制系统工作的可靠性与稳定性，同时为确保信号在传输过程中的集中性，通常采用在控制总线的末端增加缓存电阻，用来压制线路中产生的谐波电流，提高信号传输的集中性。

自动化供电系统分系统软件方面同样采用Win7控制系统，监控设备的软件可利用VC++6.0工具及通信控件来实现。

4 结论

本文提出基于现场总线的煤矿自动化供电系统的智能自动化控制方案，可以很好解决目前矿山供电设备结构复杂、可靠性差、反应速度慢、无故障诊断、无自动控制、无法对矿山机械设备的供电情况进行实时的监控、调配、管理的难题，对矿山机械设备供电系统安全性可靠性的提升具有重大意义。