郭志强

(山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400)

0 引 言

随着国家综合国力的快速发展，各煤矿企业加大了对煤矿资源的开采力度，越来越多的煤矿企业加大了对煤矿设备的投入，整个煤矿开采区域的电能耗电量也相对较大，在诸多设备一起作业情况下，将会耗用大量的电能，这要求矿井需配备一套安全、可靠、稳定的井下供电网络系统，具备供电过程的远程监控及控制功能，以实现对整个井下设备的实时供电[1]。当前，矿井中一般均实现了对井下设备的集中供电现象，基本能保证 设备的用电需求，但整个供电网络存在线路老化、整体自动化程度较低等问题，运行时经常出现线路短路现象，供电一旦出现短路或火花，将给井下的作业安全构成严重威胁[2]。实现矿井工作面中供电系统的智能化、自动化远程控制，已成为当前提升矿井安全的必然趋势。为此，根据现有供电系统存在问题，开展了井下远距离供电系统的升级设计，并进行了系统的现场应用测试，使得新供电控制系统达到了预期效果。

1 远距离供电过程中存在的问题

当前井下供电系统实际运行过程中仍存在较多问题，下面重点对这些问题进行分析归纳。

(1) 由于当前供电系统的接口单一、部分检测设备未进行匹配设计，若在此基础上进行系统的升级扩展，存在无法有效兼容问题。

(2) 当前供电控制系统仅采用了RS485通讯接口，未设置多余的通讯接口，若采用其他通讯方式与其通讯连接，则无法进行通讯和数据采集[3]。

(3) 由于井下设备经常处于同时作业状态，作业时的功率相对较高，供电系统作业时经常处于功率超高、变频器过热等问题，出现空气开关跳闸。

(4) 现有供电系统需人员根据设备的实际使用情况进行现场人员操作，且设备的用电情况无法通过显示屏进行参数的实时显示，整体智能化远程控制能力相对较弱。

(5) 井下的作业及维修难度相对较大，供电电缆较长，导致整体的电量消耗较大，企业有较大的经济损失[4]。

为此，需结合井下实际情况和当前的成熟先进的控制技术，对井下供电控制系统进行升级改造设计，以提高井下作业安全及智能化程度。

2 远距离供电系统总体设计

结合现有供电系统，对原供电控制系统进行升级改造设计。所设计的供电控制系统包括了远端的配电室、高压开关、移动变电站、PLC控制器、采集模块等组成，可实现对多台采煤机、转载机、刮板输送机等高功率设备的供电过程控制操作，供电系统原理框架图如图1所示。

图1 供电控制系统原理框架图

其中，通过变电站，可将交流电源转换为3 300 V或1 140 V的动力电源，以供设备使用。同时，采集模块包括了电压传感器、功率检测仪、温度传感器等，能实时的对井下设备供电状态参数进行实时检测[5]。PLC控制器则选用了西门子的S7-300型，能保证整个供电过程中高效稳定运行。变频器则选用了BPJ-315/1140型变频器主要负责对设备及控制电路所需电压及信号转换。配电室是整个供电控制系统的终端，包括监控平台、工控机等配置，能实现对井下设备用电状态的实时监控，并根据设备的用电情况作出控制命令的实时调整。整个系统中的信号则利用RS485和CAN通讯进行信号传输，以保证所传输信号的稳定。

3 供电系统中关键部分设计

3.1 电流检测电路

电流采集电路是整个供电系统中的关键，通过电路中的检测模块，能对电机中的三相定子进行检测，所检测信号经过电流信号调理和AD信号转换后转换为相应的数字信号，以供PLC控制器进行信号的分析处理。因此，整个电路中选用了TBC06DS型霍尔电流传感器，利用内部 OPO7算法来实现电路信号的分析处理[6]。在该电路中，U1是电路的反向电路，U2为电流反向加法器，U3为电流与过零检测电路。另外，在电路中将IOPBO与LPC2131通过管脚29号进行连接，以此来弥补系统中逆变器的死区补偿问题。电路检测电路图如图2所示。

图2 电流检测电路设计

3.2 PLC控制器选型设计

PLC控制器中整个远程供电控制系统中的关键，能实现对采集数据的信号转换、分析、处理及对各类执行部件发送相关的控制命令等控制操作。为此，结合市场上成熟的PLC控制器，选用了西门子的S7-300型PLC控制器，该控制器主要由CPU模块(416-2DP)、电源模块，网络通信模块、数据输入模块、数据输出模块等组成，具有2个1 000M以上的冗余光接口，所有监测数据能通过RS485接口进行通讯连接，能适用于超过16个以上的RJ45接口，PLC控制器需要接受各类传感器的数据输入并进行分析处理，然后对不同分部的变频器进行控制。S7-300型PLC控制器如图3所示。

3.3 变频器的选型

在井下供电控制系统中，由于输入系统的电压为AC220V，而供电系统所需的电压平台则为直流电源。故需采用专门的变频器将电压转换为直流电源。为此，选用了市场上成熟的青岛公司研发的BPJ-315/1140型变频器，其实物图如图4所示。该变频器采用了直接转矩控制技术，能将交流电转化为直流的DC24V、DC12V、DC5V等不同等级的电压值，并能将转换时间控制在0.5s范围内。同时，能对输入电压信号进行滤波和整流处理。另外，通过该变频器，能实现对供电系统中的过流、过压、过载等方面进行实时保护。

图3 PLC控制器实物图 图4 BPJ-315/1140型变频器

4 远距离供电系统的应用

为进一步验证升级后的井下远距离供电控制系统的综合性能，对该系统进行了为期6个月的实际应用测试，主要与带式输送机、刮板输送机、采煤机、通风机等设备进行了集成化供电，检测内容包括电压检测、功率检测、温度检测、耗电量等方面进行了应用测试。在测试过程中，该系统运行良好，能较好的实现对各类设备的相关参数进行精准采集，并将采集数据通过配电室中的显示屏进行全面显示。当某设备出现功率过高时，该系统能及时发出相应的报警提示，并将超高功率设备的名称及耗电状态进行实时显示，并执行相应的设备用电控制，整个过程无需人员进行控制，大大提高了人员的作业安全。据估算，通过该系统的成功应用，井下供电过程的故障率降低了将近50%，为企业节约超过50万/年的电费支出，所带来的经济效益巨大，也得到了人员的一致认可。由此，说明该系统具有更高的可靠性及实际应用价值。

5 结 语

将当前先进的控制技术应用到煤矿井下供电系统中，实现井下供电系统的升级设计，是有效保证井下供电安全的重要方向。同时，在供电系统运行过程中，不断对其运行情况进行实时排查，能有效保障井下供电系统稳定性及安全性。为此，结合当前供电系统存在问题，开展了井下远距离供电系统的总体设计及关键分系统研究，并对该系统进行了实际应用测试，结果表明：该供电控制系统运行更加稳定，能更加全面的对井下设备耗电状态进行参数实时采集及耗电状态显示，实现了对设备供电过程的远程控制，也大大降低了人员的劳动强度，为企业节约超过50万/年的电费支出，达到了预期效果，实际应用价值较大。