陈耀辉，马星河

（1．平顶山天安煤业股份公司十矿，河南 平顶山 467000；2.河南理工大学，河南 焦作 454000）

随着现代化矿井自动化、信息化水平的不断提高，煤矿的供电网络规模越来越大，井下运行环境更为复杂。由于煤矿井下负荷布局复杂，工作环境比较恶劣，导致在井下运行工作时存在安全隐患，也经常因为这些不稳定因素产生停送电时间较长等故障，从而对整个煤矿的安全生产产生严重的影响。本文设计的井下供电监测系统可解决并优化这一问题，实现煤矿井下的安全可靠运行。

目前，井下监测系统远程控制能力差，并且在很多传统矿井中，依然需要人工定时检修，效率低下，且不能做到实时监测。本文设计的煤矿井下供电监测系统，能够有效提高井下供电的自动化水平，提升煤矿的安全生产水平。

1 系统结构设计

作为整个煤矿综合自动化系统中的一部分，煤矿井下供电监控系统在设计时须兼顾多个方面：第一，确保系统在井下可靠地运行；第二，系统借助网络通信技术进行数据信息的传输；第三，考虑到后期系统结构的扩展，应预留软、硬件接口。

在设计系统时充分考虑上述情况，设计出一安全可靠，其先进性和拓展性具备的煤矿井下供配电监控系统[1]。

本系统主要由以下3部分组成：

井下监控分站。包含井下监控终端设备，负责井下设备的数据收集、分析，并将实时数据传输至地面监控主站。

地面监控主站。由各服务器组成，任务是对数据的处理。对煤矿供电系统的数据进行统计分析，并对井下发送指令。

通信系统。负责承担煤矿井下供电监测系统中各部分运行状态的实时通信的功能。

系统结构如图1 所示。地面监控主机通过光纤接入服务器，实现对数据的处理与分析。煤矿井下设备的各电控站通常是利用采用485 总线和以太网通信技术来实现与监控系统的连接[2]，井下的数据传输系统通过485 总线将井下设备的状态参数传送到各分站，各个监控分站通过屏蔽双绞线实现与井下各个设备之间的连接，当和硬件之间的连接采用串联接线方式时，就会在使用中继的情况下实现数据信号传输距离最远，可长达3000 m，因此可以提升井下工作的运行效率。

图1 煤矿供电监测系统结构图

2 井下监控分站设计

作为监测系统和数据传输的承担者，井下监控分站在整个系统中的作业至关重要。它主要由工业以太网、供电系统、中继站、井下监控终端等组成，对井下各种数据参数进行监测和采集[3]。井下监控分站间采用485 总线进行设备间的通信功能，使得整个系统具有良好的抗干扰性，也能高效实现数据信息分析、计算及判断，并将其接收到的数据发送到地面监控主站。

井下监控终端主要任务是起到了连接井下和地面监控站之间的数据信息传输功能，包括井下监控站接收的数据向地面监控站的传输，以及地面监控站下达的控制指令向井下监控站的传输。而指导监控终端完成任务的部分是由单片机系统和信号处理系统构成的。

单片机电路中采用ATmega8 单片机完成整个电路的控制与协调任务；ATmega8 单片机是一款新型微控制器，它的速度和稳定性都非常好，采用0809完成模拟数据的采集；采用MAX706 芯片实现硬件看门狗功能，防止系统死循环[4]。

煤矿井下监控终端系统框图如图2 所示，系统中各电路及数据传输路径已给出。其中将电压传感器、电流传感器、零序电流传感器、零序电压传感器测得的模拟信号须经由模数转换电路进行转换之后，转换为数字信号进入单片机，而开关量信号则直接传输至单片机。检测的参数是电流、电压值。

图2 煤矿井下监控终端系统框图

3 地面监控主站设计

煤矿地面监控主站是由通信服务器、数据服务器和监控工作站3部分组成的。系统结构如图3所示。

图3 地面监控主站结构图

通信服务器[5]。主要实现对井下监控分站传输的实时信息接收、转换、通道监视等；将地面监控总站的指令及数据向井下以太网发送。通常是采用以太网模式来实现与通信服务器的接口连接。

数据服务器。用于储存系统状态的历史数据，同时起到了监控系统工作站和Web服务器的功能。

监控工作站。用于电网运行监测、开关控制、报表打印等，通常情况下会连接打印机。

另外，根据供电系统总体的规模可以配置操作员站、视频监控站等，负责采集并处理煤矿电力系统的监控信息。

4 通信系统设计

煤矿供电监测系统中的通信系统主要是由2 部分构成的，分别为井下监控分站与各终端之间、井下监控分站与地面监控主站之间的通信。

而因煤矿井下设备分散、设备因生产而向前推进需要经常性的移动与替换等环境方面的限制和影响[6]，本设计充分考虑各方面因素，选用RS-485 作为井下监控分站与各终端之间的通信方式。RS-485组网简单，设备的兼容性良好，符合井下生产环境。各终端设备与井下监控分站通过串联的接线方式，在配置中继站的情况下使用屏蔽双绞线进行连接，最远距离可达3000 m，能够满足井下设备分布较为分散的情况。

地面监控主站与井下监控分站之间的通信必须保证实时性和准确性，目前主流工业以太网就可满足条件，同时还具备性价比高和通信效率高的优点。本设计中采用一种可靠性和实时性俱佳的面向连接的协议——Modbus-TCP 协议，它在TCP/IP 网络上运行时需要协议转换。流程图如图4所示。

图4 Modbus-TCP在TCP/IP网络运行协议转换流程图

在利用Modbus-TCP 协议实现通信时，须添加通用TCP/IP父设备在软件设备管理中，正确设置端口号、本地及远程IP，并选择好寄存器类型及地址后，添加要读取的系统数据和状态即可。

5 结束语

本文设计的煤矿井下供电检测系统可实现和井下电网的有效融合，负责完成整个煤矿井下电力系统的电能参数的监测。同以往传统的人工巡视相比，极大地节省工人工作量，数据的采集速度更快、精度和智能化程度更高；针对电力系统中出现的各种故障的反应和处理更加准确有效，方便工作人员对煤矿井下电网的维护检修和故障处理。

测试结果表明，井下供电监测系统能够适应煤矿井下的工作环境，实现了更好的监测功能，能够完成对井下电网的实时监控，降低工作人员劳动强度并缩短故障检修时间，对煤矿井下安全生产具有重大意义。