＊杨 森

（晋能控股集团晋城煤炭事业部长平公司 山西 048000）

引言

在煤矿井下中，供电系统是设备的主要动力来源。由于当前井下工况环境相对恶劣，往往出现线路短路、过载以及漏电的现象。通常在发生上述故障之前，往往在高压配电开关位置出现相应的现象比如：电流电压急剧增加以及温度也升高。为此设计高压供电监控系统，从而能够将该特征随时传输给地面控制中心，这样能够有效地优化故障率。一旦出现了故障，那么通过该系统能够及时定位以及提高故障排除效率，这样能够极大的提高电力系统的损失。借助地面计算机进而更好地实现计算机的分合闸操作，因此能够优化供电系统的管理水平[1]。

1.高压供电监控系统结构设计

(1)结构设计

图1表示相应的煤矿井下供电监控系统结构图，该系统选用DCS型分部计算机，其中分为井下监控以及地面监控两部分，并且其两者之间的信息交互形式选用RS-485，这样可以实现对井下变电站信息的采集，同时将获得大的数据放在井下变电站控制器缓冲区域。假如地面变电站访问井下变电站时，必须向井下变电站发送访问指令，从而可以对井下的变电站进行访问。与此同时工作人员可以通过观察井上变电站监控平台观察井下监测数据的变化情况。同时可以向井下变电站传输分、合闸操作指令。

图1 煤矿井下供电监控系统结构

(2)通信方式选择

通常情况下，对于煤矿井下通讯而言，往往选用如下几个通信形式：第一，RS-485；第二，CAN总线；第三，光纤通信；第四，RS-232；第五，Zigbee组网等等。由于带光电隔离的RS-485能够有效地优化地面与井下信息的交互，因此选用RS-485进行信息交互，接线形式选择为二线制，信息传输距离可以达到1500m，由此可以看出其能够满足井下信息的传输，与此同时光电隔离技术可以有效地避免不必要的信息干扰，进而可以提高信噪比[2]。对于近距离的信息传输可以选用RS-232，通常接线形式可以选用三种形式，最远的信息传输距离可以达到15m。

2.系统硬件设计

(1)主控芯片选型

对于主控制芯片而言，可以选择MSP430F5438单片机，其优点在于能耗极低，直流电源供电范围为2.2A到3.6A之间。同时设置了大量的外设如下所示：第一，3个16位定时器；第二，1个高速12位模/数转换器；第三，WDT看门狗定时器；第四，P1-10端口；第五，12C串行通信等等。借助该芯片可以对采煤机电器控制其进行控制，与此同时可以大大降低系统能耗[3]。

(2)完全隔离型RS-485电路设计

井下与井上的监控平台的信息交互选用RS-485电路，选择的芯片为ADM2587E，该芯片选用SOW-20形式进行封装，其可以实现500Kibit/s传输速率，主要应用于工控、电力等场合。其中图2表示相应的完全隔离型RS-485电路原理图。为了能够有效地降低电压、雷击以及浪涌电压对信号的干扰，通常可以在总线位置设置如下保护操作比如：设置VA，VB管脚上串接RT电阻。通常情况下，电阻阻值在4Ω到10Ω之间，同时将VA，VB引脚接地TVS管。

图2 完全隔离型TS-485电路

(3)RS-232通信电路设计

经过对井下工作情况的分析井下变电站与数据采集信息交互选择RS-232，其传输方位范围在50bit/s到38400bit/s之间，同时满足双工异步通信的需要。而对于井下变电所与高压供电系统而言，通常可以借助MAX3232ESE实现TTL和RS-232之间的电平转换，图3所示为相应的设计电路。与此同时为了能够对系统进行扩展，设置了一系列的串口，从而便于更好地进行硬件升级[4]。

图3 RS-232通信电路原理

(4)测温电路设计

对于高压配电开关的温度传感器而言，通常选取DS18B20芯片，这样能够有效地对低压腔体的温度进行实时监测，与此同时可以将温度传输给地面控制中心。DS18B20芯片在获得温度的过程中，主要通过对其DQ引脚读、写高低电平的时序来实现，同时在DQ引脚上面增加上拉电阻，这样可以有效地提高DS18B20的驱动能力，图4表示相应的电路原理图。

图4 测温电路

在读取温度时，其涉及如下几个方面：第一，初始化时序；第二，读取时序；第三，写时序。对于时序而言，其将主机设定为主设备，而总线器设定为从设备。通常信号的传输都是由主机主动启动撰写程序，而假如需要借助单总线器反馈数据，那么在完成信息的书写后，主机往往需要借助启动数据读时序来进行信息的传输[5]。

3.软件设计

(1)测温程序设计

①DS18B20暂存寄存器分布。对于DS18B20温度传感器而言，本设计选用单总线结构，其可以完成对信息的读写操作，进而可以完成温度数据的读取。DS18B20的高速暂存存储器由9个字节组成。假如发出了温度转换器后，那么相应的温度数字以二字节的形式存放在挂镀暂存器内部。而这时单片机可以借助单线接口对温度数值进行读取，而通常先读取低位，再读取高位数值。相应的温度计算如下所示：假如S取值为0，那么将二进制转化成为十进制。假如S取值为1，那么首先进行将补码转换成为原码，最后进行十进制转换。

②测温程序设计。在DSl8B20测温程序时，通常DSl8B20接收到温度转换指令后，那么应用软件必须得到DSl8B20的返回信息才可以得到相应的信号，假如出现接触不良或者信息中断的情况，那么DSl8B20将不会接收到返回信号。通常情况下将MPS430单片机的P6.2引脚和DS18B20的DQ引脚进行连接。

(2)上位机界面设计

该系统的上位机软件选用VB程序进行编程，借助C语言进行编程，与此同时增加必要的代码，这样可以对组件进行调用，从而可以大大优化编写程序的难度，通过该程序可以生成.exe文件。此外，该软件便于安装。

通常上位机软件可以借助井上监控平台对煤矿井下高压供电系统的配电情况进行实时监测，与此同时能够完成对信息的储存。假如系统出现故障问题时，那么工作人员可以通过监控平台对历史数据进行查询以及调用。

井下高压供电系统监测界面，其涉及不同变电所不同位置的配电相关参数比如：第一，电压；第二，电流；第三，温度等。同时可以实现对历史数据进行查询，比如查询某一天不同变电所配电开关信息。

4.结论

本研究以煤矿井下的供电情况进行分析，其选择的供电回路的对象为6～10kV，并以此为基础设计煤矿井下变电所高压供电系统为研究对象。该系统主要包括：完全隔离性RS-485通信电路，该电路能够进行井下与地面双向的信息交互；单片机选择MSP430，其具有超低能耗的特点，可以实现对电压、电流以及温度参数进行采集；主要介绍了DS18B20测温芯片测温步骤的软件，其能够让工作人员对高压供电系统进行实时监测以及数据的查询。