基于电力载波的矿井排水监控系统的应用

田晓波

（山西潞安郭庄煤业， 山西 长治 046100）

引言

煤炭资源是人类经济社会发展的支柱性能源资源，随着煤炭开采技术的不断进步，煤炭资源的开采地质条件越来越复杂，发生透水事故的概率也越来越大，因此井下排水系统的可靠性直接关系到煤炭生产企业的生产安全。虽然井下排水自动化控制系统发展迅猛，但对大多数采龄较长的煤矿来说，其井下排水设备及控制线路最初布置时缺乏规划，各排水系统布置分散，井下积水区域的水位变化情况和各排水装置的运行情况完全依赖于人工操作控制，工人劳动强度大，由于煤矿井下的工作条件恶劣，各电缆设备布置复杂，无法对现有科技条件下的煤矿井下自动排水系统进行改造[1]，因此迫切需要研究一种能够利用现有井下的电缆和通讯系统，以较小的改造代价来实现对煤矿井下各独立、落后的排水装置进行自动化和信息化改造，提高其自动化程度和工作时的可靠性。

1 基于电力载波的矿井排水监控系统

基于电力载波的矿井排水监控系统如图1所示，该系统将电力载波控制模块设置在排水系统控制单元的电控箱内，利用标准协议接口与各通讯单元和监控分站及局域控制网络相连接，监控分站监测各积水区域的水位水情状况，利用电力载波系统和局域控制网络形成网络无差别控制，若在巷道内没有设置工业以太网络则可将现有的电压供电网络设置为载波通信组网系统，把其中的主供电线路利用电力载波和转换器设置为该区域的网络控制主站点，在此处完成对本区域的水位水情和排水设备运行情况参数的整合[2]，然后利用电力传输网络或者工业以太网络将其传送到地面控制中心，实现对井下各排水设备的远程监测与控制。

图1 基于电力载波的矿井排水监控系统结构示意图

在该系统中需实现对各积水区域排水控制系统之间水位水情的互联互通，通过电力载波或者工业以太网络实现对任意网点水情数据的监测，同时还需要建立地面控制中心和煤矿井下水情监控、设备运行控制系统之间的双向通讯。

2 煤矿井下电力载波联网控制系统

电力载波通讯是电力传输系统所特有的一种通信方式，电力载波通讯是指利用现有的电力电缆线，利用载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，其最大的优点是不需要重新布设网络系统，只需利用现有的电流传输系统即可实现数据信息的通讯和传输。

电力载波联网通讯[3]结构原理如下页图2所示，各监控单元监测到的数据信息通过发射端的串口发送到电力载波控制芯片，芯片接收到数据信息后首先对其进行PSK相移键控的解调和伪随机码的扩频解调，然后由芯片的数据输出端口将解调后的电力载波信息传递到外电路的滤波器处进行信号滤波处理并对信号进行功率加强处理，最后由电力耦合电路把增强信息的电流载波信息耦合处理后发送到电力载波信息传输通道内，进行数据信息的传输。在该电力载波联网通讯模块的数据信息接收端口，首先对接收到的控制中心传输的控制信号进行解耦处理，然后利用滤波处理电路对接收到的数据进行限幅、降噪和调制处理，将其还原为原始的控制信号，最后经过串口通信端的数据输出完成整个控制信息的传输任务。在该电力载波联网通讯单元中，其创造性地把电力载波的通信及调制解调电路进行了集成，在实际工作时只需要将事先处理后的控制程序输入内部储存中心即可完成既定的控制通信，具有极大的操作弹性和灵活性，能够满足水情监测、数据通信等，并且能够满足对后期排水设备升级改造的数据通信需求。

图2 电力载波联网通讯结构原理图

3 电力载波联网控制系统的试验验证

煤矿井下电力载波联网控制系统测试原理如图3所示[4]，该测试的原理是利用示波器对各个电力载波控制单元不同点的数据传输情况进行测试，判断数据信息在电力载波系统中传输的及时性和稳定性。

图3 电力载波联网控制系统测试原理图

煤矿井下电力载波联网控制系统的现场测试如图4所示。

图4 电力载波联网控制系统测试现场图

由图4可知，以计算机作为主控单元并设置一台模拟自动排水监控分站，通过利用计算机电源线发送电力载波通讯信号，要求监控分站返回水位监测，在电力载波传输过程中其数据帧串口通过通信模式进行发送，电源通信线路由系统自带的电源转换装置构成，在模拟排水监控分站将模拟水情信号利用相同的载波通信模式返回给主站，计算机接收到返回的模拟信号后将数据在界面上进行显示，完成模拟实验，其测试结果如图5所示。

图5 计算机接收到的模拟信号视图

由图5可知，系统在数据信息的发送与接收过程中保持了较高的稳定性和连续性，能够较好地满足监控系统的数据通信与控制任务。

4 结语

煤矿井下排水系统作为确保煤矿安全生产的核心，对确保煤矿井下的安全生产起着十分重要的作用。由于井下环境恶劣，各种管线排布错综复杂，很难通过更换全新的监测、通信、控制系统来完成井下排水监控系统的智能化改造，所以提出了一种基于电力载波的矿井排水监控系统，该系统可直接采用煤矿井下现有的排水控制系统的通讯线路，同时通过现场总线将各监控分站的排水设备进行连接，实现了网络互通。该系统的应用以最小的代价实现了对煤矿井下排水监控系统的升级改造，极大提升了煤矿井下排水控制系统的自动化程度和安全性。