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［摘要］针对原煤矿井下供电自动化系统功能不完善、维护困难、远程控制能力差等问题，开发了基于数字化变电站技术的井下智能供电系统。该系统通过单片机技术采集电器开关状态参数和环境信息，并根据井上监控中心的控制指令对电器开关的参数进行整定或远程控制，实时采集电气设备参数状态和环境信息，获取井下开关状态及相应告警。设计的井下智能供电系统提高了井下电气设备的智能化水平，实现了系统状态的远程监控，提升了井下电气设备的维护与检修效率。
［关键词］井下供电；智能监控；单片机；数据信息采集
0引言
矿井供电系统在煤矿安全生产中发挥着不可替代的作用，保障供电系统的安全运行至关重要。随着现代检测技术和智能化技术的发展，煤矿供电系统的智能化升级也迫在眉睫，如果不能及时掌握井下供电系统各元件的运行状态和环境信息，对异常设备及时安排人员检修，将会造成煤矿井下无计划停电，影响供电系统的正常运行。因此煤矿井下供电系统实现智能监控是急需解决的问题［1］。目前，煤矿井上供电自动化系统发展已经比较成熟，但煤矿井下智能供电系统发展相对落后。虽然已有相关研究，但存在功能不完善、维护与扩展性差、远程控制能力差等缺陷。本文研究设计了针对煤矿井下供电系统特点的智能化系统。该系统维护方便、扩展性强、功能完善，实现了地面远程监控与井下电气设备信息的实时交换，能够及时准确地获取井下各电气元件的运行状态与数据信息，并对电气设备的环境信息进行重点检测，同时实现对开关参数进行整定或远程控制，有效提高了煤矿井下供电系统的智能化水平，煤矿井下的安全运行和生产得到了技术上的保障［2］。
1煤矿井下供电智能化系统总体设计
为了实现地面远程监控与井下电气设备信息的实时交换，并且满足井下电气设备遥测、遥控、遥信和遥调，维护简单、实用性强、扩展性强等要求，设计了煤矿井下供电智能化系统，其总体框架如图1所示。井下智能供电系统由井下智能监控终端、远程通信系统和地面远程监控机站3个部分组成。井下智能监控终端利用单片机技术对井下电气设备状态参数进行智能采集与传输控制信号。远程通信系统由中继站、光电适配器、分站组成，负责井下智能监控终端和地面远程监控机站之间进行设备数据和控制信号传输。地面远程监控机站采用C/S架构，由服务器和若干客户端组成，服务器对井下数据发出控制指令，同时服务器也对其它客户端进行管理，客户端利用TCP/IP协议访问服务器，获取井下开关状态及相应告警。井下智能监控终端连接各分站，通过485总线将井下采集的设备数据传输到地面远程监控机站的服务器并储存在服务器的数据库中，同时接收从服务器发出的控制信号。
2井下智能监控终端设计
井下智能监控终端由单片机电路、电源及信号调理电路和分散元件3个部分构成，3个部分通过排线相互连接，实现数据的相互传递。井下智能终端结构如图2所示。单片机电路是整个终端的控制核心。其中，采用89C51完成整个电路的控制与协调任务；采用89C2051完成与上位机的通讯；采用ADC0809完成模拟数据的采集；采用MAX705芯片实现硬件看门狗功能，防止单片机系统进入死循环［3］。电源及信号调理电路由2个部分组成。电源部分为单片机电路提供电力支持，使得系统能够正常工作。信号调理部分对从井下电器开关采集来的信号进行转变，输出能够被单片机直接采集的信号形式供给单片机电路。需要调理的信号包括供电电缆漏电电流、A相和C相短路电流、零序电流检测信号等［4］。分散元件部分包括2个继电器、2个电流变换器、2个变压器、1个温度传感器和1个湿度传感器。其中，2个继电器分别实现井下电器开关的分闸与合闸；2个电流变换器分别将互感器采集来的电流信号传送给ADC0809；温度传感器采集电气设备内部温度信息；湿度传感器采集湿度信息。设置报警参数，超过规定值时及时发出报警信息。
3远程通信系统设计
远程通信系统由光电转换器、中继站与分站3个部分组成。分站直接通过485总线连接在各井下智能监控终端的通讯接口上，为智能监控终端提供数据传输通道的入口。光电转换器采用华通公司生产的ST/SC型光电适配器。中继站和分站的电路原理如图3所示。从图3可看出，中继站和分站具有相同的内部框架结构，它们都是由2片2051和2片MAX485组成，不同之处只在4#2051的软件编程能力与方法。中继站将上位机数据信号进行转发，扩大网络传输的距离，支持远距离的通信，并根据现场需求实现扩展分站的连接。其左端连接至ST/SC型的光电适配器的光缆进入工业以太网，下行信号通过MAX485进入中继站，经过串-并-串转换后继续通过另外一段光缆向下传递直至分站。如果中继站与分站现场距离不超过100m，则中继站与分站之间可以通过普通屏蔽电缆直接相连。这种连接机构的扩展能力非常强，通过中继站扩展分站满足现场需求。分站的左端连接至中继站的屏蔽通讯电缆或者光缆，下行信号进入分站经过串-并-串转换后传送至各井下的智能监控终端。其中4#2051是实现多机通讯的核心部件。分站以下的单片机的结构是主从结构，分站中的4#2051是该智能供电系统的主机，系统中的从机是各智能监控终端中的2051。分站中的主机与各智能监控终端的通讯协议如表1所示。
4远程监控机站软件设计
采用可视化编程工具VisualBasic6.0开发远程监控机站的软件。通过其串口通讯控件对数据进行采集，利用WinSocket控件实现服务器和客户端的数据共享，利用数据库技术存储现场数据。可视化界面将采集的数据信息显示出来，显示的参数包括井下电器开关的电流、电压、状态参数和整定参数等，并对各开关进行远程控制，包括合闸、分闸、短路试验、漏电试验、复位、监视试验、参数整定、环境信息监测等。监控软件结构框架如图4所示。上位机轮寻井下智能监控终端程序流程如图5所示。上位机轮寻井下智能监控终端是通过对时间控件设置开关状态和轮寻间隔时间实现的。首次打开监视窗口之后时间控件初始为有效状态，此时便进入时间控件事件函数。进入该函数后首先将时间控件设置为无效状态，在一次循环结束退出时间控件事件函数之前，再次将时间控件设置为有效状态。当时间控件有效状态时长到达设置的轮寻间隔时间（这里设置为1ms）后，重新进入该事件函数进行下一轮的轮寻，如此不断轮寻下去。程序中可能导致轮寻中断的情况有3种：一是用户执行了退出系统的操作；二是用户打开了某一个智能终端的控制面板，这时上位机停止轮寻，只和该智能终端进行通讯，当该控制面板被关闭的时候，设置时间控件为有效状态，程序将继续对所有智能终端进行轮寻；三是监视窗口被用户关闭，当监视窗口被再次打开的时候，同样设置时间控件为有效状态，继续进行轮寻工作［5］。
5结语
样机在试验中表现出了优良的监控性能。采用单片机技术构建井下智能监控终端，提高了井下电气设备的智能化水平，实时采集电气设备参数状态和环境信息，提升了系统的监控功能，有利于井下电气设备的维护与检修。采用中继站与分站分立的模式构建远程通信系统，实现供电系统信息传输的稳定性和灵活性。地面远程监控机站采用C/S结构，操作员在监控中心利用服务器端对井下远程监控，同时各职能部门对监控情况进行检查可以通过客户端得以实现。整个井下智能供电系统的易维护性和扩展性通过采用全数字化设计得以完善。
作者：史书卫 申伟鹏 单位：郑煤集团新郑煤电公司