畢鐵丹

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605）

1 概 況

煤礦變電所是煤礦生產(chǎn)中的重要部分，在運行中存在設(shè)備故障率較高、故障排除效率較低、智能監(jiān)控能力較弱等問題，對井下變電所的運行安全及正常運行造成了重要影響。加大對變電所中設(shè)備運行的安全監(jiān)控及管理，是保障變電所安全運行的主要工作。以慈林山煤業(yè)為例，分析了該礦變電所監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)有的單片機控制技術(shù)，開展了監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計，對系統(tǒng)中的單片機電路、存儲電路、CAN 總體通訊電路等關(guān)鍵內(nèi)容進行設(shè)計研究。

2 變電所監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

慈林山煤業(yè)變電所原有監(jiān)控系統(tǒng)主要針對地面上的變電所進行設(shè)計，井下變電所運行情況采用了人員巡視操作的方式進行，存在以下問題。

（1） 地面的調(diào)度人員通過電話傳輸、查看表格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)拷貝等進行等方式進行數(shù)據(jù)信號的獲取，在數(shù)據(jù)信號、運行狀態(tài)檢測等方面存在延時、信息誤報等問題。

（2） 當(dāng)井下設(shè)備出現(xiàn)運行故障時，只能通人員一一排查方式進行檢查，設(shè)備檢查時間較長。

（3） 井下變電所中僅對部分設(shè)備安裝了簡易的檢測設(shè)備，數(shù)據(jù)準確性較差，不能全面的對變電所情況進行實時反映。

（4） 現(xiàn)有變電所中未進行智能化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，無法通過上機位實時顯示變電所設(shè)備運行情況。

3 變電所監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

煤礦變電所相關(guān)參數(shù)較多，井下環(huán)境復(fù)雜，建立的變電所監(jiān)控系統(tǒng)對變電所中的電流、電壓、開關(guān)量、溫度、開關(guān)量等數(shù)據(jù)進行采集，通過CAN 通訊總線進行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過控制中心信號處理后傳輸至地面上機位中，實現(xiàn)變電所的運行狀態(tài)監(jiān)控。設(shè)計的變電所監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Overall structural framework

該方案主要包括3 部分：上端是由計算機、PC 上機位等構(gòu)成的上機位監(jiān)控系統(tǒng)；中部采用了CAN 接口的轉(zhuǎn)換接口卡；下端采用了包含CAN 總線控制器及驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集單位、控制節(jié)點等構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集分析部分。整套系統(tǒng)控制核心采用了單片機控制方式，設(shè)計了存儲電路、CAN 通訊硬件部分、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量采集模塊等，通過各模塊的相互結(jié)合，實現(xiàn)煤礦變電所中各類數(shù)據(jù)采集、處理、控制及通訊等功能。

通過上機位控制操作，向下機位發(fā)出相應(yīng)控制、查詢命令，下機位根據(jù)信號命令，對變電所中的各類信號進行采集判斷，并向上機位發(fā)出相應(yīng)采集數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)超限情況時，則發(fā)出相應(yīng)的報警提，實現(xiàn)對變電所的實時監(jiān)控。

4 監(jiān)控系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

4.1 單片機電路設(shè)計

單片機是整套監(jiān)控系統(tǒng)中的核心部件，電路設(shè)計采用目前市場上應(yīng)用較為成熟的AT89C5 型芯片，可實現(xiàn)系統(tǒng)中信號的初始化定義、信號的A/D轉(zhuǎn)換，存儲器連接、開關(guān)量采集輸入、CAN 總線通訊控制等功能，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時，在單片機電路中設(shè)計了電容去耦措施，可有效避免系統(tǒng)電源內(nèi)部發(fā)生相互干擾耦合現(xiàn)象。采用54AC138譯碼器，能將地址空間劃分為若干小塊，使地址信號空間的充分利用，防止了空間分散較寬廣現(xiàn)象發(fā)生。整套單片機電路的電路如圖2 所示。

圖2 AT89C5 型單片機電路Fig.2 AT89C5 microcontroller circuit

4.2 存儲電路設(shè)計

存儲電路可在系統(tǒng)斷電狀態(tài)下對數(shù)據(jù)起到有效存儲及保存作用。存儲器選用大容量、可現(xiàn)場編程的FALSHAT29 型，接口電路設(shè)計了8255 擴展接口，為存儲器的地址接口提供有效的地址信號，系統(tǒng)中單片機上的I/O 接口也可通過8255 上的并行擴展接口進行連接，8255 上的D0～D7 數(shù)據(jù)接口可與AT29 存儲器數(shù)據(jù)接口進行連接。存儲電路的電路如圖3 所示。

4.3 CAN 總線通信電路設(shè)計

CAN 總線通訊模塊包括CAN 通訊控制器、CPU 微處理器、光電耦合器、CAN 總線接收器等。微處理是整個電路的控制核心，負責(zé)對CAN 通訊控制器的初始化作業(yè)，之后經(jīng)過微處理內(nèi)部的信號處理分析，通過CAN 通訊控制器，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。CAN 通訊控制器采用了AT89 型號，具有64 kB 的尋址空間，內(nèi)部組成包括8 位的C51 微處理、RAM 數(shù)據(jù)存儲器、4 kB 的 ROM 閃存、2 個定時/ 計數(shù)器、2 個中斷控制系統(tǒng)等。CAN 總線驅(qū)動器安裝在CAN 總線控制器及CAN通訊線之間，實現(xiàn)電路中電路電平和通訊電路電平之間的連接。為提高CAN 總線通訊中的抗干擾能力，將CAN 通訊控制器上的TX0 與RX0 接口分別與光電耦合器上的6N137 與CAN 總線接收器連接，實現(xiàn)CAN 總線上的電氣隔離。

圖3 FALSHAT29 型存儲電路電路Fig.3 FALSHA 29 storage circuit

5 結(jié) 語

系統(tǒng)在慈林山煤業(yè)井下變電所進行了6 個月的現(xiàn)場使用驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)采集、信號顯示、故障報警、數(shù)據(jù)存儲等各項功能均運行正常，實現(xiàn)了變電所設(shè)備的實時監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用期間，變電所設(shè)備出現(xiàn)了10 次故障，均被檢測到，調(diào)度人員在監(jiān)控室就可完成故障的發(fā)現(xiàn)，故障排除時間縮短了50%左右，變電所的正常運行時間提高了45%左右。驗證了該監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，對提高煤礦生產(chǎn)效率及作業(yè)安全具有重要作用。