矿井地面供电系统改造设计与应用*

李亚斌

(霍州煤电集团吕梁山煤电公司方山发电厂，山西 方山 033100)

0 引 言

地面供电系统作为整个矿井供电系统的组成部分，其工作的安全性和稳定性至关重要，不仅关系煤矿井下工作面能否可靠工作运行，还与井下工作人员的生命安全息息相关[1-3]。某煤炭企业因地面供电系统使用年限较长，地面供电系统落后，现已不能够很好的满足煤矿地面安全生产的要求，存在明显的老化现象，大大降低了地面供电系统运行的可靠性，急需进行改进设计。控制系统作为矿井地面供电系统的重要组成部分，其工作的运行的稳定性极为关键，是井下供电系统正常供电的控制中心，只有保证其技术的先进性才能确保煤矿井下煤炭掘进设备的安全稳定及煤炭的产能和效率[4]。在线监测系统作为近年来发展起来的先进控制技术，广泛应用于各个领域，现已取得了很好的应用效果，尤其在服役环境极为苛刻场景中工作的监测系统，更加凸显出在线监测系统的重要性。相关研究表明[5]，矿井地面供电系统引入较为先进的在线监测系统之后，不仅能够提供地面供电系统的工作可靠性，还能降低地面供电系统的运行维护成本，为煤炭企业创造更多的经济效益。因此，针对某煤炭企业地面供电系统可靠性较低的现状，笔者以其控制系统为研究对象，重点通过地面供电系统的改造设计工作，达到提高地面供电系统可靠性的目的，对提高煤炭生产产量和效率具有重要意义。

1 改造要求

地面供电控制系统改造设计需要适应当前控制系统发展的趋势，并用计算机技术和网络通信技术，使地面供电控制系统实现以下功能：①实时监测地面供电系统中各类开关、变压器、供电线路等的运行状态；②实现地面供电系统中各类开关、电气控制元件等的远程控制，方便地面供电系统的集中控制；③实现地面供电系统运行数据的实时存储，为系统运行维护人员进行故障排查提供重要系统运行数据；第四是控制系统需要具有很好的可扩展性，使地面供电系统覆盖面积可增可减。

2 方案设计

煤矿地面供电系统较为复杂，电路电缆布置不规律，各个电路的功能差异较大。众所周知，复杂的电路系统控制过程中产生的电路反馈信息会很多，因此控制系统的数据库搭建工作较为关键，需能够对采集得到的数据进行分类处理。地面供电系统原有的开关控制功能多以继电器实现，具有明显不足，为了提高地面供电系统的工作可靠性，将继电器控制改进为PLC控制，由计算机编程实现地面供电系统弱点控制强电的目的，实现便捷的开关控制功能。如图1所示，结合某煤炭企业地面供电系统的实际情况，完成了控制系统的方案设计，包括软件系统结构、输入输出驱动、综合接入网关、环网交换机等部分。

图1 地面供电控制系统方案

3 硬件设计

改造之后的地面供电控制系统所涉及的硬件主要包括PLC控制器、综合接入网关和环网交换机，它们是保障地面供电控制系统功能可靠实现的基础，具体的选型与配置参数如下。

3.1 PLC控制器

地面供电控制系统改造用PLC控制器取代原有的继电器，实现了计算机编程控制地面供电控制系统的目的。PLC控制器作为地面供电控制系统的核心器件，其工作的可靠性极为关键，结合地面供电控制系统实际情况，选择了西门子生产的S7-200系列CPU226的 PLC。PLC控制器中配置中央处理器、数据存储器和信息通信等模块，具备较强的数据采集、分析、处理和存储的能力，能够根据地面供电系统的实际情况采集得到可靠的监控数据，之后进行逻辑分析，实时显示在控制系统监控界面当中供监控人员观察掌握地面供电系统的实际运行情况。中央处理器主要负责采集数据的运算处理；数据存储器主要负责实时存储地面供电系统运行数据，由ROM和RAM两部分构成；通信系统主要负责实时数据信息的传输，远程控制指令的发送等。S7-200系列CPU226的 PLC结构组成如图2所示。

图2 PLC结构组成

3.2 综合接入网关

改造地面供电系统中的综合接入网关主要负责完成地面供电系统中各个分支电路及开关等电气控制元件监测数据的集中采集，汇总之后通过光纤将其传输至集中控制平台进行显示[7]。综合接入网关的内核控制器型号为ARM9，自身操作系统采用的VxWORKS系统，通信过程使用了CAN总线，具有可靠的数据采集汇总与数据信息传输性能，具备跨平台、跨总线的数据传递功能。

3.3 环网交换机

环网交换机作为煤矿地面供电控制系统中极为重要的元器件，应用于地面供电控制系统当中具有重要作用，具有输电局域广的特点。环网交换机现场安装过程清晰、操作流程简易、使用维护方便快捷，以此同时，遇到危险情况可以自动发出感应报警信号，因此，将其接入地面供电控制系统能够很好的实现地面供电系统的监测与自动控制动作。地面控制系统环网交换机工作原理如图3所示，连接着地面供电系统监控中心及各个分站控制点，实现整个供电系统的实时监测与远程控制功能。

图3 环网交换机工作原理

3.4 信号处理模块

监测系统信号处理模块用于接收来自各种传感器实时采集的状态信号，经过处理完成模拟量到数字量的转换，获得便于传输和存储的数字量信号。监控系统选择与CAN总线配套的iCAN3800作为信号处理器，可在5～1000 kbps的波特率条件下实现与CAN总线的通讯。iCAN3800模块工作时，自身的8路模拟量输入通道可以并行运行，独立进行信号处理任务，具备每秒轮询数据500次的能力，能够确保数据传输和通信的实时性和可靠性。i CAN3800信号处理模块的工作原理如图4所示。

图4 iCAN3800信号处理模块工作原理

4 软件设计

地面供电系统软件系统设计涉及组态数据库、事件库、优先级库、历史数据库、实时显示数据库等5部分，具体设计功能如下。

4.1 组态数据库

组态数据库的主要任务是梳理特殊命令数据、反馈信息、数据属性等，同时还能够梳理与时间相关的动态数据信息。系统设计时搭建组态数据库时，采集得到的数据处理之后生成组态信息数据并存储。

4.2 事件库

地面供电系统运行时突发的各种事件均会由事件库进行分析处理并存储，以便为供电系统运行和维护人员提高事件发生过程的数据进行参考，提高故障事件的排查效率。系统事件库工作时能够及时反馈数据、分析调用数据、快速控制供电系统元器件等，当供电系统发生故障或者突然报警时能够快速开展故障排查与处理。

4.3 优先级数据库

地面供电控制系统中的优先级数据库运行过程中可以直接调用实时显示数据库中的信息，进行分类存储，确定相关数据的优先级。优先级数据库与时间相关，设计优先级数据库时将其内部时间与计算机时间同步，保证了采集得到数据的先后，很好的完成优先级的划分。

4.4 历史数据库

历史数据库搭建的任务是完成过去一定时间内数据的记忆存储，为供电系统运行维护提供数据参考，达到需要相关数据时能随时调用，供相关人员进行数据分析。历史数据库的建设减小了数据接口及缓存器的重担，其设计过程中使用了数据缓存技术的应用，缓存空间大小的设置依据计算机内存和硬盘空间确定，确保历史数据库具有足够的数据存储量。

4.5 实时显示数据库

实时显示数据库作为地面供电系统中负责数据交换的部分，对其进行了数据访问接口进行了优化，实现了数据的实时获取的目的。与此同时，为了确保调用的数据能够实时获取，对其进行了索引算法的改进，实现了数据实时显示的目的。

4.6 输入输出驱动

地面供电控制系统中的输入输出驱动接口主要实现监测数据与PLC控制器之间的数据传输，确保数据传输的实时性，实现数据实时分析处理与存储，同时也具备控制指令的发送等功能。

5 应用效果评价

基于某煤炭企业地面供电系统存在的安全可靠性能较低的情况，完成了地面供电控制系统的改造设计工作，将其应用于煤矿地面供电系统中进行试运行，结果表明，系统运行较稳定，提高了企业地面供电系统的可靠性。统计结果显示，地面供电系统故障率降低了近15%，故障排查时间减少约12%，节约了系统运行维护人员2～3名，降低了煤炭企业的生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近100万/年，取得了很好的应用效果。保证了煤矿井下作业环境的安全。