楊 萌

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

采礦機(jī)械設(shè)備主要是電力驅(qū)動(dòng)，不同功能會(huì)對(duì)應(yīng)不同電壓等級(jí)，基本上可以分為1140V、660V、380V、127V、36V。在供應(yīng)運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也需要利用不同等級(jí)電壓促進(jìn)管理作用的充分發(fā)揮，比如127V、36V 主要用于保護(hù)系統(tǒng)，而其它更高的電壓等級(jí)則主要用于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。之所以要設(shè)計(jì)安全管理系統(tǒng)，一方面是因?yàn)榈V產(chǎn)開(kāi)采中大部分電壓等級(jí)超過(guò)人體安全電壓，另一方面則是礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中環(huán)境復(fù)雜，如果不能保證供電運(yùn)行的安全性，則可能導(dǎo)致更加嚴(yán)重問(wèn)題的出現(xiàn)，如煤礦中瓦斯爆炸、石油開(kāi)采中的油體燃燒等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)應(yīng)用到了礦產(chǎn)開(kāi)采中，尤其是智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用為供電安全智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了巨大支持。

1 采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義

1.1 提高采礦機(jī)械設(shè)備供電安全性

在礦產(chǎn)開(kāi)采環(huán)境中，供電安全需要給予更大重視，因?yàn)橐坏┕╇姺矫娉霈F(xiàn)問(wèn)題，則可能引發(fā)大事故。采礦設(shè)備在電力驅(qū)動(dòng)下才能運(yùn)行，在按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，主電力并不會(huì)直接提供動(dòng)力，而是在保護(hù)系統(tǒng)確保采礦設(shè)備內(nèi)部的漏電、欠壓、斷相等保護(hù)裝置可以正常發(fā)揮作用后主電力才能與采礦設(shè)備接通[1]。但是采礦機(jī)械設(shè)備并不是單獨(dú)運(yùn)行，還會(huì)其它設(shè)備聯(lián)動(dòng)，比如煤礦中綜掘機(jī)在啟動(dòng)時(shí)首先要保證后面的運(yùn)輸機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)、閉鎖系統(tǒng)等確保這些設(shè)備配合到位，從而避免意外情況的出現(xiàn)。如果聯(lián)動(dòng)設(shè)備過(guò)多，采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)就需要處理更加復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)信號(hào)，這樣就會(huì)增加出現(xiàn)意外情況的幾率。設(shè)計(jì)供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)則是為了從更高層面對(duì)采礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理，讓采礦機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不需要“自我處理”，而是將“啟動(dòng)權(quán)”交給安全智能管理系統(tǒng)。這樣一來(lái)，采礦機(jī)械設(shè)備只需要按照系統(tǒng)要求執(zhí)行相關(guān)指令，同樣，其它相關(guān)設(shè)備也會(huì)在系統(tǒng)要求下配合采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行。

1.2 提高采礦機(jī)械設(shè)備管理水平

采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，不僅能在出現(xiàn)異常情況下及時(shí)停止，還能對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，從而為后續(xù)檢修提供依據(jù)。工作人員的主要工作是通過(guò)CRT 屏幕檢測(cè)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，當(dāng)需要人工處理時(shí)能夠迅速通知檢修人員。智能技術(shù)的應(yīng)用提高了采礦機(jī)械設(shè)備管理水平，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，管理水平的提升還表現(xiàn)在銜接緊密上。每個(gè)工作環(huán)節(jié)都要通過(guò)交接班實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)轉(zhuǎn)，具體到采礦行業(yè)中，采礦機(jī)械設(shè)備在經(jīng)過(guò)“一個(gè)班” 的運(yùn)行后可能會(huì)在某些方面出現(xiàn)問(wèn)題，仍以綜掘機(jī)為例，油位下降、截齒磨損等會(huì)出現(xiàn)在綜掘機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果交接班時(shí)，接班人不能準(zhǔn)確了解這些信息而盲目使綜掘機(jī)進(jìn)行工作，則會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備多個(gè)方面造成損壞。在設(shè)計(jì)出安全智能管理系統(tǒng)后，接班人能夠更加準(zhǔn)確、快速地了解機(jī)械設(shè)備各方面情況，然后可以及時(shí)進(jìn)行處理，同樣交班人也能在機(jī)械設(shè)備停止運(yùn)行后處理相關(guān)問(wèn)題。

1.3 提高采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率

采礦機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開(kāi)穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不僅會(huì)造成機(jī)械設(shè)備難以正常啟動(dòng)，而且會(huì)埋下安全隱患。在分析采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率時(shí)，需要進(jìn)行全面考察，不能只關(guān)注機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間，還要了解其它方面是否符合標(biāo)準(zhǔn)。比如煤礦掘進(jìn)中，會(huì)在工作面迎頭安裝瓦斯監(jiān)測(cè)裝備，目的是對(duì)瓦斯含量進(jìn)行監(jiān)控，并且在超過(guò)一定限度時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并切斷饋電電源，如果為了提升采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)間而將反饋聯(lián)動(dòng)切斷，雖然能夠在瓦斯含量下降后第一時(shí)間啟動(dòng)，但如果出現(xiàn)監(jiān)測(cè)誤差或延遲，則能引發(fā)事故[2]。構(gòu)建安全智能管理系統(tǒng)不僅是要求供電方式符合安全標(biāo)準(zhǔn)，保證采礦機(jī)械設(shè)備能在更為安全的情況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，更重要的是，這一系統(tǒng)要與嚴(yán)格的管理制度結(jié)合在一起，比如要堅(jiān)決實(shí)行“誰(shuí)斷電誰(shuí)送電”、“誰(shuí)檢修誰(shuí)擁有絕對(duì)控制權(quán)”等制度。智能型管理系統(tǒng)與嚴(yán)格規(guī)章制度互補(bǔ)共存，才能構(gòu)建程序化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、標(biāo)準(zhǔn)化的供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)，從而保障采礦機(jī)械設(shè)備在可控狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 交互性原則

在安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，交互性能夠更加彰顯“智能” 特征。首先，通信交互可以實(shí)現(xiàn)信息的“智能”傳遞，這對(duì)于采礦機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要意義，因?yàn)橹挥屑皶r(shí)準(zhǔn)確地提供信息，才能保證各個(gè)系統(tǒng)做出正確反應(yīng)，尤其是對(duì)安全性影響較大的信息，更是要設(shè)置專(zhuān)項(xiàng)交互渠道確保信息反饋的精準(zhǔn)與及時(shí)。其次，數(shù)據(jù)流交互是實(shí)現(xiàn)可視化的重要基礎(chǔ)。采礦機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題和故障時(shí)，只有盡可能了解現(xiàn)場(chǎng)情況才能做出更好應(yīng)對(duì)和處理。數(shù)據(jù)流交互的實(shí)現(xiàn)需要安全智能管理系統(tǒng)各個(gè)部分安裝數(shù)據(jù)生成與處理設(shè)備，并且相互之間形成緊密聯(lián)動(dòng)。通信交互與數(shù)據(jù)流交互中的“交互性”主要體現(xiàn)在設(shè)備層面，而從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)看，人機(jī)交互成為交互設(shè)計(jì)中的“重中之重”。具體到供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)中，人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)可以更高效率地接受信息并且基于信息做出針對(duì)性調(diào)控，從而為采礦機(jī)械設(shè)備的更好運(yùn)轉(zhuǎn)提供支撐。

2.2 實(shí)時(shí)性原則

從管理層面分析，實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，管理效率就會(huì)越高。在傳統(tǒng)的供電運(yùn)行安全管理系統(tǒng)中，主機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不是常態(tài)連接，一般需要專(zhuān)項(xiàng)啟動(dòng)連接裝置才能進(jìn)入管理模式。這樣一來(lái)，主機(jī)系統(tǒng)就無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并且可能會(huì)因?yàn)檫B接裝置啟動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸故障造成主機(jī)系統(tǒng)誤操作。在實(shí)時(shí)性原則下，采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要做到以下幾個(gè)方面：第一，要實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集。一次設(shè)備狀態(tài)指的是設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，包括運(yùn)行、熱備用、備用以及檢修。采集這一數(shù)據(jù)的目的是保證管理系統(tǒng)可以與設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)位[3]。第二，要實(shí)現(xiàn)對(duì)閉鎖、反饋元件的實(shí)時(shí)控制與信號(hào)采集。采礦機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中，閉鎖、反饋元件是否運(yùn)行正常直接影響到整體安全性，比如綜掘機(jī)與瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備連鎖信息必須得到實(shí)時(shí)了解，如果出現(xiàn)靈敏度下降、誤操作頻繁等情況，則需要及時(shí)進(jìn)行處理。第三，要通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)最大程度降低誤操作。想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不僅需要安全管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，還要將控制閉鎖節(jié)點(diǎn)、電磁鎖節(jié)點(diǎn)等的運(yùn)行情況納入檢測(cè)范圍，并要與主設(shè)備建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

2.3 可靠性原則

供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循可靠性原則，目的是最大程度地保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。首先，要實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)并行，即主網(wǎng)與備網(wǎng)同時(shí)配置。當(dāng)主網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，備網(wǎng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)代替主網(wǎng)發(fā)揮作用。處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主網(wǎng)與備網(wǎng)的運(yùn)行情況，如果備網(wǎng)出現(xiàn)故障，則要及時(shí)反饋。其次，要實(shí)現(xiàn)雙機(jī)并行。與雙網(wǎng)并行的要求相似，主機(jī)與備機(jī)也要處于實(shí)時(shí)監(jiān)控中。當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備機(jī)能夠立即啟動(dòng)，并且要快速恢復(fù)到主機(jī)故障前的狀態(tài)。最后，要實(shí)現(xiàn)雙位置遙控配置。采礦機(jī)械設(shè)備供電時(shí)需要閉鎖系統(tǒng)處于“關(guān)”狀態(tài)，但有的時(shí)候會(huì)因?yàn)檫b控信息不準(zhǔn)確造成主機(jī)誤操作，針對(duì)這樣的問(wèn)題，可以通過(guò)雙位置遙控配置進(jìn)行解決，即增設(shè)遙控信息發(fā)送點(diǎn)，只有兩個(gè)遙控點(diǎn)信息一致時(shí)才能正常啟動(dòng)。

3 采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 安全智能管理系統(tǒng)架構(gòu)組成

采礦機(jī)械設(shè)備供電運(yùn)行安全智能管理系架構(gòu)組成如下：第一，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要用于監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)接收與統(tǒng)計(jì)、發(fā)送遙控指令等。采礦機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣，在供電過(guò)程中需要及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，而后通過(guò)信息分析發(fā)送指令，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要建立管理系統(tǒng)與采礦機(jī)械的聯(lián)結(jié)平臺(tái)。這一平臺(tái)要具有生成和發(fā)送音頻、視頻等數(shù)據(jù)信息的功能，確保管理系統(tǒng)接收到準(zhǔn)確信息。第二，監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)包括主站監(jiān)控系統(tǒng)與分站監(jiān)控系統(tǒng)[4]。主站監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整體信息的接收與處理，分站系統(tǒng)則是對(duì)具體環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，并負(fù)責(zé)向主站系統(tǒng)發(fā)送信息，比如分站系統(tǒng)中有過(guò)流監(jiān)控、過(guò)壓監(jiān)控、短路監(jiān)控、漏電監(jiān)控等。第三，綜合保護(hù)設(shè)備。綜合保護(hù)設(shè)備是實(shí)際作用部分，是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)最終作用對(duì)象。同時(shí)，綜合保護(hù)設(shè)備要得到兩個(gè)系統(tǒng)的管理，確保綜合保護(hù)裝備能夠正常運(yùn)作。

3.2 安全智能管理系統(tǒng)主站設(shè)計(jì)

主站系統(tǒng)包括三個(gè)部分，分別是通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及監(jiān)控工作站。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：第一，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理功能。數(shù)據(jù)采集需要遵循相關(guān)通訊協(xié)議，目的是使數(shù)據(jù)采集符合參數(shù)要求與通訊接口匹配，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)組織與有效編輯。另外，數(shù)據(jù)處理中要通過(guò)前置機(jī)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞，為操作人員提供數(shù)據(jù)支持[5]。第二，組態(tài)設(shè)計(jì)。目的是將供電情況通過(guò)圖元、曲線、數(shù)據(jù)框等模式清晰呈現(xiàn)出來(lái)，并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。另外，組態(tài)設(shè)計(jì)中要充分遵循交互性原則，能夠讓操作人員根據(jù)具體情況“隨機(jī)應(yīng)變”，比如可以將相關(guān)信息通過(guò)報(bào)表等方式打印出來(lái)傳送給檢修部門(mén)，為檢修部門(mén)制定檢修策略提供依據(jù)。第三，建立數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。故障發(fā)生、處理等過(guò)程需要被記錄下來(lái)，并且要根據(jù)嚴(yán)重程度進(jìn)行級(jí)別劃分，目的是為管理系統(tǒng)的后續(xù)維護(hù)提供數(shù)據(jù)源。

3.3 安全智能管理系統(tǒng)分站設(shè)計(jì)

分站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括主控制器模塊設(shè)計(jì)、基本外圍電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)等。主控制器模塊設(shè)計(jì)的核心是保證處理器功能的實(shí)現(xiàn)，如模擬功能、數(shù)據(jù)采集功能等。保護(hù)算法的確定、通信接口的設(shè)置、管理調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建等是最為關(guān)鍵的幾個(gè)環(huán)節(jié)，比如傳統(tǒng)處理器中經(jīng)常出現(xiàn)處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)精度低、周期長(zhǎng)等情況，而在通信接口得到革新后，則可以在提升處理器運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)據(jù)處理精度。在基本外圍電路設(shè)計(jì)中，串行通信接口電路、雙以太網(wǎng)接口電路、液晶顯示接口電路、設(shè)備運(yùn)行等驅(qū)動(dòng)信號(hào)是重要設(shè)計(jì)對(duì)象，這是保證安全智能管理系統(tǒng)通訊正常、信號(hào)預(yù)警正常等方面的基礎(chǔ)。在數(shù)字信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)中，主要是完成模擬量數(shù)據(jù)過(guò)濾、為信息數(shù)據(jù)設(shè)定實(shí)時(shí)日期以及保證串行通信接口與協(xié)議層的通信。