基于现场总线的煤矿供电自动化系统分析
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摘要：煤矿企业需要一个能够稳定地、高效的提供电力的供电自动化系统，来保障其施工进度和施工安全。因而基于现场总线的煤矿供电自动化系统的设计和完善就显得尤为重要。本文针对煤矿井下的特殊环境，分析了其基于现场总线的煤矿供电自动化系统的组成，应用的软件及其优点，以期提高煤矿供电自动化系统的稳定性和可靠性，进一步确保煤矿作业的高效性和安全性。
关键词：现场总线煤矿供电系统自动化
在我国，一次性能源大多来源于煤炭，而九成以上的煤炭产量来自井工开采矿井。然而，近几年来，各种不确定因素的存在又严重威胁着矿工们的生命安全。因而，对煤炭企业来说就急需一个高效稳定的供电监控系统来保障矿井工人的安全。随着以计算机、通信和控制为代表的3C技术的迅猛发展, 网络集成信息自动化正被应用到现场设备中。现场总线控制系统(FCS)被应用到煤炭供电监控系统中,不仅能安全监测矿井电网的还能节约资金, 有效保障了煤矿行业的安全生产。
1.监控系统的组成
1.1监控系统硬件网络结构组成
为了满足硬件网络结构设计, 系统采用三层网络结构：最下层为井下采区的智能采集设备，主要技术指标：传输容量：64台分站，分站容量：32台综保。传输速率:：2400bps。根据上述指标分析，选择西门子的模块化中型plc系统s7-300和ET200iSP分布式I/O组成Profibus-DP分布式网络。SIMATICS7-300系统所拥有的强抗振动和高电磁兼容性，结构紧溱的特点，非常适合工业环境和电气干扰环境。管理层采用拥有便捷的用户参数赋值人机界面的西门子公司的S7- 400系列PLC，使这一层能够实现现场总线的通信控制与管理。这层的plc与上一层的pc机相连，组成监控系统的主要控制中心，能对各个从站的组态、运行进行监控等。因而，该层是整个供电监控系统的核心。采用Profibus总线的Profibus―DP主干网络层选用4芯光纤，使所有从站通过Profibus总线连接主站，实现数据的传输、信息的交流。这样可以使每个变电站的电压、电流、功率等信号传输到主站。电气防爆是煤矿供电监控系统区别于其它类似系统根本区别之一。采用现场总线技术后，主要传输介质采用本质安全的矿用阻燃光缆，井下网络传输部分的网络端口采用光电隔离，保证了本质安全防爆的性能。监测系统中全部的电器监测的安装和接入完全避开原供电回路，因而监测系统设备出现故障，不会影响井下高压回路的正常供电。现总线设备的供电采用了由安全栅和电气隔离器构成的隔爆兼本安型电源单元，满足本安供电的要求。
1.2Profibus- DP智能丛站的设计
井下智能采集器通过多个不同型号的传感器，采集高压开关的电流、电压、功率，高压开关的开合状态等电气参数，并分析有无电气故障发生，要是有电气故障则马上分闸，隔离故障点。智能从站主要是使用SPC3ASIC芯片和AT89C52设备，SPC3是西门子公司为优化的智能Profibus- DP丛站提供的一种专用通讯协议芯片，支持Profibus- DP协议，遵循EN50170标准。它不仅可以承担通信过程中微处理器的负载，而且能够独立完成全部Profibus-DP通信功能。现场仪表处理是对数据的传送和处理，这种方式扣，使大部分已由协议芯片完成的通讯协议不再烦琐。
2．软件设计
该监控网络存在两类通信：(I)上位机与主控PIE之间的通信；(2)主控PIE对各智能从站的访问。上位机也能够访问从站，这就使当主控PIE出现故障时，整个监控系统仍就能够与现场设备进行信息交换，从而保证了整个煤矿供电监监控系统的正常运行。
2．1 一类主站通信软件设计
一类主站PIE通过CP443―5接连到Profibus―DP上，在监测系统开始工作前要对各站点进行配置和参数工作。由于一级主站采用西门子公司的S7―400PIE，所以主站硬件组态、从站的硬件组态、系统参数设置和程序的编制都选用西门STEP7软件。STEP7编程是一个复杂的过程，其每一步都必须暗战相关流程进行。在编程过程中所需要的系统组件的型号、名称和数量，硬件模块的预置参数，如地址、量程等, 配置列表中模块的排列次序等都必须和实际要求的次序一致，模块的订货号也要与硬件模块相吻合，否则下载到CPU会提示出错。当Profibus―DP网络的硬件组成后，想要使系统进行正常的通信，就必须为每个工作站分配一个特定的地址。S7的站地址是在STEP7内用组态软件进行设定，服务器和工程师站的站地址用SETPC#PC接口对CP443―5进行设定。需要注意的是，在组态过程中，最重要的工作就是给各从站分配指定的网络地址和确定它们之间的传输协议。
2．2 工控组态软件WINCC在上位机中的应用
煤矿监控系统的上机位采用的是西门子的组态监控软件SIMATIC WINCC。它是现今所有组态软件中比较强大的一款软件了。由于其自身可以提供s7―300PIE的驱动软件，所以PIE与上位机的连接十分的容易就完成了。通过访问集成SQL的归档数据，以及通过链接OIE2．0和Ac．tiveX控件对象和文档，PIE信息可以直接连接到用户的实际应用图形上。该软件创建的监控系统界面主要包括：人机交互界面、数据自动接收界面，故障查询界面等等。这些界面不仅能够设定下位机参数、查询可靠地数据，复归报警、保护信号；而且能够为事故分析提供依据，使工作人员在主站即可对井下测控分站的整定值进行调整。
2．3 智能从站软件设计
煤矿井下的智能采集器中使用的是西门子公司专用的协议转换芯片SPC3。通过中断处理程序，使SPC3中的各种突发事故的得到有效地及时的处理。矿井下的智能从站通过应用SPC3使现场总线与智能采集器间实现通讯，获得数据。通过应用程序的循环，进行了现场数据的输入／输出处理。最后，微处理器需要对SPC3进行合理的配置、初始化处理。一般用结构体数据形式来实现数据的通信和报文。
3．该系统的主要优点
3.1监控系统网络化与数字化
现场总线技术的应用使检测系统组成网简单化，采集数据方便化，通信稳定化，各从站设备相对独立，假如一个从站发生了故障，其它从站也仍以正常工作，而不必担心受到影响。由于现场总线系统的开放性，网络化特征具有很高的互用性和互操作性，能够在设备、系统间实现数据信息沟通的良好效率。传输信号为数字信号，具有较强的抗干扰性和较高的精度，可以减少提高精度与抗干扰的措施，在保证系统可靠与精度的前提下减少成本投入。
3.2系统的扩展性强
现场总线技术是开放式系统，技术与标准均具有公开化的特点，设备的互联性较强，在现场设备的选用时可以根据系统规划选择性价比最优的设备，实现系统经济性与实用性的最优化，还能够在系统升级时方便更换设备，具有极高的扩展性。按装PROFIBUS现场总线的煤矿供电监控系统在接收各变电所分站的数据信息和信息处理能力方面都优于一般的监控系统，扩展性强。
3.3 功能综合化
采用现场总线技术后，煤炭电力监测系统具备了完善的监测功能, 可以时时监测供电系统的电压、电流、有功功率、无功功率、有功电量、功率因数及频率等主要运行参数，并对其做出正确的评定。而且监控界面简单直观, 人机交互性好。系统结构的简化程度随之提高，在设计、安装、运行与维护的过程中，都能够体现高度的优越性，提高工作效率，为供电自动化提供了可靠的支持。
总而言之，煤矿行业基于现场总线的供电自动化系统的使用，提高了矿井的自动化和现代化管理水平，大大的增加了矿井下的安全系数，降低了事故的发生频率，给工作人员提供了一个安全可靠的工作环境，保障了煤矿井的正常运行。
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