矿井用电设备能源管理系统设计.pdf

第 4 1卷 第 1 O期 2 01 5年 1 0月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on Vo l _ 4 1 NO ．1 0 Oc t ． 2 01 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 5 l O 一 0 0 7 3 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 0 杨万庆 ， 赵丙庆 ， 田锦钊 ， 等． 矿井用 电设备能源管理系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 0 7 3 7 6 ． 矿井用电设备能源管理系统设计 杨 万庆 ， 赵 丙庆 ， 田锦 钊 ， 孟 祥 忠。 ， 尹涛 1 ． 淄博矿业集团有限责任公司 岱庄煤矿 ，山东 济宁 2 7 2 1 7 5 ； 2 ． 青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 4 2 摘要 针对煤矿井下用电设备分散 、 管理难度 大等问题， 基 于 MC GS组 态软件设计 了矿井用电设备能源 管理 系统 。该 系统采 用智 能仪 表一分站一上位机 3层 结 构 ， 实现 了井下 电 能数 据 的在 线 监 测 ， 通过 组 态软 件 可对 用 电设备 的 能耗 数据 进行 存储 、 处理 、 统计 、 查 询和 分析 ， 为企 业提 高能 源效 率 水平 ， 实现 节 能增 效提 供 有效 依据 。 关键 词 矿 井用 电设备 ；能 源管理 ；设备 驱 动 ；MC GS组 态 ；多功能 电度表 中 图分类 号 T D6 1 1 ． 5 文献 标 志码 B 网络 出 版时 间 2 0 1 5 0 9 2 9 1 4 5 5 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 9 2 9 ． 1 4 5 5 ． 0 2 0 ． h t ml 收 稿 日期 2 0 1 5 0 7 3 1 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 8 3 1 ； 责任 编辑 张强 。 作 者简介 杨 万庆 1 9 6 5 一 ， 男 ， 山东寿光人 ， 高级工程师 ， 主要从事煤矿 电气 自动化方面的工作 ， E - ma i l t j z 1 2 0 5 8 1 8 1 2 6 ． c o rn。 表 1 测试数据 m 由表 1 可知 ， 试验最大测距误差为 2 m， 完全可 以满足煤矿对人员精确定位的需求。 3 结语 介 绍 了 S DS T w R 技 术 的 测 距 原 理 ， 并 将 S D S TWR技 术 应 用 到 煤 矿 人 员 定 位 系 统 中 。测 试 结果 表 明 ， 基 于 S D S T W R技术 的煤 矿 人 员定 位 系统测 距误 差 在 2 m 以 内 ， 能 够满 足井 下 人员 定 位 的精度要求。 参 考文献 D- I E l l E 3 ] [ 4 ] 张科 帆 ， 朱海霞 ， 包建 军． 基 于 C S S技 术的井下精 确定 位 系统设计 E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 5 - 8 ． 刘世森 ， 汤朝 明 ， 吴畏． 无 线传 感器 网络 中 的 T OA测 距 方法研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 3 1 3 4 ． 王沁 ， 于 锋 ， 李 刚． RT wR 一 种 基于 时 钟频 率 比 的 T 0A测距 新方案 I- J - 1 ． 小型 微型 计算 机系 统 ， 2 0 1 0 ， 3 1 7 1 2 6 1 - 1 2 6 6 ． 孙 继平 ， 李晨 鑫． 基 于卡 尔曼 滤波 和指纹 定位 的矿井 ToA定位方法 [ J ] ． 中国矿 业大 学学 报 ， 2 0 1 4 ， 4 3 6 】】 2 7 1 1 33． 7 4 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 De s i g n o f e ne r g y ma n a g e me nt s y s t e m o f mi n e e l e c t r i c a l e q u i p me nt YANG W a n q i n g ， Z HAO Bi n g q i n g ， TI AN J i n z h a o ， M ENG Xi a n g z h o n g ， YI N Ta o 1 ． Da i z h u a n g Co a l M i n e ，Z i b o M i n i n g Gr o u p Co． ，Lt d． ，J i n i n g 2 7 2 1 7 5 ，Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Au t o ma t i o n a n d E l e c t r o n i c En g i n e e r i n g ，Qi n g d a o Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 0 4 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m o f s c a t t e r e d a n d di f f i c ul t m a n a g e m e nt o f c oa l m i ne e l e c t r i c a l e q ui p m e nt ， a n e n e r gy m a na g e me nt s ys t e m of mi ne e l e c t r i c a l e qu i p m e nt b a s e d o n M CGS c on f i g ur a t i on s o f t wa r e wa s de s i g ne d．Th e s ys t e m us e s t hr e e l a y e r s s t r uc t u r e o f i n t e l l i g e n t i ns t r u m e n t s s u bs t a t i on u pp e r c ompu t e r t o r e a l i z e o n l i n e mon i t o r i ng o f e l e c t r i c p o we r d a t a，whi c h c a n s t o r e，pr o c e s s ，c ou nt ，i nq ui r e a nd a n a l y z e t h e e ne r gy c o ns umpt i on d a t a o f e l e c t r i c a l e q ui pme nt t h r oug h t he c on f i g ur a t i on s o f t wa r e ． Th e s y s t e m c a l l pr o v i de e f f e c t i ve ba s i s f o r i m p r ov i ng l e v e l of e ne r g y e f f i c i e nc y a nd r e a l i z a t i on o f e ne r g y s a v i ng e f f i c i e nc y o f e nt e r pr i s e s ． Ke y wo r d s mi ne e l e c t r i c a l e q ui pme nt ；e ne r g y m a n a g e m e nt ；d e v i c e d r i ve r；M CGS c o nf i gu r a t i o n；mul t i f l 1 n c t i o n wa t t hOI 】 r me t e r 0 引 言 煤 矿井 下用 电设 备 多且 分 散 ， 目前 电能 管 理 仅 靠人工定时抄录电能表读数 的方式进行统计 ， 这种 方式存在数据单一 、 数据滞后、 时效性差等问题 ， 不 能 及 时掌握 各生 产环 节 和重点 能耗 设备 的实 时能 耗 数 据 。 因为 缺乏 技 术 手 段 ， 煤 矿 管 理人 员 得 不 到 有 效 的 能源消 耗基 础数 据 ， 每月 仅知 道用 了多少 度 电 ， 折算为电费成本是多少 ， 而这些 电能到底是如何使 用 的 ， 哪些 部分 是合 理 的 ， 哪些 部 分 是 浪 费 的 ， 以及 现 有用 电方 式 和 结 构 是 否 合 理 等 深 层 次 问题 难 以 解 决 。 针 对上 述 问题 ， 本 文 基 于工 业 组 态 软 件 MC GS 设计了一种矿井用 电设备能源管理 系统 ， 该系统采 用智能仪表一 分站一 上位机 3层结构 ， 可将用电设备 的能耗数据 以动画、 数据报表 、 图形 曲线等多种形式 提供给管理人员 ， 为管理人员提供真实、 准确、 实时 的电能动态信息， 管理人员将这些能耗数据与相对 应 的设 备 、 班组 生产 数据 相结 合 ， 可 了解 和 掌握 生产 环节和重点设备的实时能耗状况 、 能耗变化趋势 以 及实时运行参数等信息l_ 2 ] 。 1 系统 结构 矿井 用 电设备 能源 管理 系统 可划分 为 现场 数据 采集 层 、 数 据传 输层 、 数 据监 控管 理层 ， 如 图 1 所 示 。 现场 数 据 采 集 层 通 过 防 爆 箱 体 中 的 带 R S 4 8 5 通 信 接 口的矿 用多 功能 电度 表实 时采集 负 荷用 电量 数据 。 矿用 多功能 电度表是 系统 的重要组成部分 ， 度度⋯度度度 ⋯度厦度’ 厦度 度 ⋯度 度度‘ 厦 表 表表 表 表表表 表表表 表表 表 表表 l 2 “ 1 2 “ l 2 l 2 月 1 2 图 1 矿井用 电设备能源管理系统结构 既可 以就地 显示 监 测 数 据 ， 也 可 以 通过 串 口通 信 将 数据送至井下监测与通信分站。监测数据包括 J 、 I 、 三 相 电流 、 U 、 U。 、 U。 线 电压 、 P 、 Pb 、 P 三相 功率 、 Q 无 功功 率 、 P 有 功功 率 、 C O S 功 率 因数 、 E 电量 等 电能 参数 。监 测 对 象包 括 中央 水 泵 、 绞车 、 采煤 机 、 给煤 机 、 带 式输 送机 、 压 风机 等 。 数据传输层是通过煤矿井下监测与通信分站 中 安装 的光纤 收 发器将 数 据信息 的电信号 转换 为光 信 号 ， 实时采 集 电度 表 的数 据 并 通 过 千 兆级 工 业 以太 网 TC P ／ I P网络 输 送 到地 面 的 能源 管 理 系统 监 控 总站 ， 不需 要再 进行 复 杂 的敷 线 ， 工程 可靠 且简单 。 数据监控管理层依靠上位机能源管理系统软件 实现数据监控 、 管理、 共享 、 能耗分析 、 系统授权等 2 0 1 5年 第 1 O期 杨 万庆等 矿 井 用 电设 备 能源 管理 系统设 计 7 5 一 系列 功 能 。 在 本 系 统 中，井 下 监 测 与 通 信 分 站 为 TP C7 0 6 2 K 触 摸 屏 ， 它 通 过 R S 4 8 5接 口『 3 与 矿 用 多功能电度表通信 ， 实现对矿用 多功能 电度表 的集 中管理 ， 并对数据进行存储 。当与上位机通信失败 时， 保证数据不丢失 ； 通信恢复后 ， 可继续上传数据。 监控主机 上位机 ， 安装 MC GS网络版 通过冗余工 业 以太 网 T C P ／ I P 协 议 ， 通 过 交 换 机 组 网 和 触 摸 屏 通 信 ， 实现 监控 主机 对 现场设 备 的 网络监 控 ， 同 时 进行 数 据 共 享 与 发 布 ， 远 端 客 户 机 可通 过 I n t e r n e t 进行 访 问查看 。 2设备 驱动 构 件设计 根 据井 下 生 产 的需要 ， 矿 用 多功 能 电度 表 安装 数量 多 而且位 置 比较 分 散 ， 考 虑到 其 支 持 RS 4 8 5通 信 ， 因此 ， 在本系统中通过使用多路 4 8 5串口服务器 与井 下监 测 与 通 信 分 站 中 的 MC GS触 摸 屏 进 行 串 口通信 ， 这样一 台井 下监 测 与通信 分站 可 以监测 多个 矿用多功能 电度 表， 并满足通信 距离 的要求 。 但由于矿用多功能 电度表 白带的通信协议不规范 ， 使用触摸屏 自带 的设备 驱动构件无 法进行通信组 态 ， 为 了保证 矿 用 多功 能 电度 表 与 井 下 监 测 与 通信 分站 的正常通信 ， 必须设计基于 MC GS的设备驱动 构件 。驱动 构件 是 MC GS组态 软 件 主要 构 成 之一 ， 是组态软件与设备交互的桥梁， 它包括 2 个部分 父 设 备 和子设 备 。父 设 备 主 要 完 成 串 口通 信 ， 设 置 一 些设备通信协议 的初始参数 ， 如设备初始工作状态 、 设备通信波特率 、 串 口端 口号 、 数据位 、 停止位和校 验方式 。子设备则是根据通信协议格式定制的驱动 设备 ， 通过串口发送指令和接收返 回的数据信息 ， 是 数据 采 集 的神 经 中 枢 。MC GS组 态 软 件 通 过 调 用 设备驱动来完成所需 的操作 ， 实现数据采集和下位 机设 备 控制 ， 并 反馈 设备 信息 。 该 系 统 使 用 的 矿 用 多 功 能 电 度 表 型 号 为 E D C 3 3 0 0 ， 其一 般命 令 格式 为 4 CH、 5 7 H、 AD DR、 C MD1 、 C MD 2 、 C HK、 0 D H。其 中 ， 4 C H、 5 7 H 为 前 导 码 ， 固定不 变； A D D R为模块 地址 ， 以单字节 1 6进 制表 示 ， 地址 范 围为 O O H～ F F H； C MD1 、 C MD 2为 命令 ， 以单字节 1 6 进制表示 ， 命令代码见表 1 ； CHK 为从 地 址开 始 至 C MD 2的各 字节 的 累加 和 ， 以单 字 节 1 6进 制 表示 ； 0 D H 为 结 束 码 ， 固定 不 变 。其 中 ， 波特率 代码表示 如下 O 3 H 表示 1 2 0 0 b i t ／ s ， 0 4 H 表示 2 4 0 0 b i t ／ s ， 0 5 H 表 示 4 8 0 0 b i t ／ s ， 0 6 H 表 示 9 6 0 0 b i t ／ s ， 0 7 H 表示 1 9 2 0 0 b i t ／ s 。本 系统 选用 9 6 0 0 b i t ／ s ， 因此 ， 在通用 串 口父 设 备上 设 置 波特 率 为 9 6 0 0 b i t ／ s ， 端口号为 C OM2 ， 数据位为 8 b i t ， 停 止位 为 1 b i t ， 无校 验 ， 采 用 1 6进制 协议 格式 。 表 1 C MD1 、 C MD 2 命 令代码 为 了实 现 MC GS触 摸 屏 与矿 用 多 功 能 电度 表 的正常通信 ， 还需要在父设备下挂接子设备驱动 ， 以 读取线电压 、 相电流、 电量等电能数据 ， 使用 MC G S 脚本 驱 动开 发 工 具 编 写 子设 备 的脚 本 驱 动 ， MC GS 脚本驱动提供了一种与传统 MC GS组态软件 中驱 动程序功能兼容 、 编程简便 的特殊设备 驱动程序开 发 环境 ， 采用 与 MC GS脚 本 语 言兼 容 的编 程语 言 ， 封装 了大量标 准功 能 ， 并 提供 了必 要 的容 错 处理 ] 。 在 编辑 脚本 驱动 程序 之 前 ， 必 须 先 设 置设 备 窗 口里 的设备属性和设备通道 。设备属性包括设备地址和 通信延时， 设备通道用来存放从串口返 回来的数据 ， 需要设置通道变量名、 通道注释和通道类型。脚本 程序首先要定义通道索引变量、 中间变量 和发送字 节 数组 与接 收字节 数组 ， 并初 始化 索引 通道 ， 接着 根 据通信协议 ， 设置发送字节数组的命令字节 ， 通过调 用 De v Wr i t e An d Re a d B y t e Ar r B y Re f参数 1 ， 参 数 2 ， 参数 3 ， 参数 4 ， 参数 5 接 口函数 ， 向串口父设 备输送一组字节 ， 然后等待 ， 再从串口父设备中读取 设定长度的数据。其 中， 参数 1为发送字节的数组 7 6 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 名 称 ； 参数 2为 发送数 组 的长度 ； 参 数 3为接 收字 节 的数组 的名称 ； 参数 4为接收的字节长度； 参数 5为 读写整个过程的等待延时。当接收完数据之后再根 据 通 信协议 进行 解 析 ， 然 后 把 解 析 后 的数 据 赋 给 相 应 的通道编号 ， 并将通信状态的通道值设为“ 0 ” ， 完 成数据采集 。若通信或解析出现错误 ， 则将通信状 态 的通道值 设 为“ 2 ” 。 MC GS设备 驱 动 程 序 流 程 如 图 2所 示 。在 运 行环 境 中 ， 当有 写 操作 和设 备 命 令 时应 该 先执 行 写 通道或设备命令 ， 否则通过实际采集间隔与设定最 小采集周期 的比较来确定是否执行采集数据操作。 如果 MC GS组态 软件 一直 处于 运 行环 境 下 ， 则该 流 程 按顺 序 指令 逐一 执行 ， 直 到 MC GS组 态 软 件停 止 工作 ， 结束读写命令 ， 退出运行 。 t 厂丽 在甄丽] I 串口父设备的子设备i Y N ， 采集 间隔大于、 ’ } Y 读通道，按 照驱动 程序排序执行 一 个子驱动 图 2设备驱动程序流程 3 系统组态 软 件设计 矿井用 电设 备能源管理 系统是 以 MC GS组态 软 件 为技术 平 台和 工 具 ， 以矿 用 多功 能 电度 表 通 信 协议为核心研发 的一套适合于煤矿用电设备 的实时 监控 系统 ， 系统 的组 态包 括 2个部 分 一是煤 矿 井下 监测与通信分站的组态 ， 采用 的是 MC GS嵌入版触 摸屏 ， 这一部分是数据传输的中心 ， 根据上文设计的 设备构件驱动进行配置之后 ， 可在井下监测与通信 分站 实 现矿 用 多 功 能 电 度 表 的集 中管 理 与 现 场 查 看 ， 并通 过 Mo d b u s T C P ／ I P数 据转发设备构件进 行数 据上 传 ； 二是 地面监 控 主机 的组 态 ， 监 控 主机安 装的是 MC GS网络版组态软件 ， 与井下监测与通信 分 站进 行实 时通 信 ， 组 态 界面包 括 系统管 理 、 分站 界 面 、 实 时数 据 报 表 、 历 史 数 据 查 询 、 历 史 数 据 曲线 、 日、 月 、 年数 据查 询 以及 报警 查 询等 。 矿井用 电设 备能 源管 理 系统依 赖组 态软 件提 供 强大 的实时数据库 ] ， 可对煤矿用 电设备的能耗数 据进 行存 储 、 处 理 、 统计 、 查 询 和 分析 。管理 人 员 可 根 据煤 矿 的现 实需 要 ， 合 理 调度 能 源 使 用 效率 。在 报表 查询 界 面 ， 通 过 输 入 查 询 起 止 时 间 ， 可 以查 看 某个 工作 面具 体用 电情 况 ， 并 可 对 某个 时 间段 工 作 面的用电量进行统计 ， 为管理人员科学合理安排用 电提 供 了有效 的数 据 支 撑 ， 进 而 达 到节 能 减 排 的 目 的 ， 同时也 可作 为节 能绩 效考 核 的依据 。同时 ， 数 据 库 中存 储 的历 史数 据 可 作 为参 考 数 据 ， 当后 续 用 电 量超 过参考 数 据 时 ， 可设 置 报 警 ， 产 生 报 警 记 录 ， 方 便管 理人 员进 行查 询 比较 。针 对 电能质 量 电压 、 电 流等 的监测 ， 可设置报警上下限， 当用 电设备 的电 压或 电流超 限 时 ， 发 出报 警 ， 维 修人 员可 根据 报警 记 录进 行有 针对 性 的检修 ， 保证 用 电设备 安全 。 4结语 矿井用电设备能源管理系统通过组态软件提供 强 大的 实时数 据 库 ， 可对 煤 矿 用 电设 备 的 能耗 数 据 进 行存 储 、 处 理 、 统 计 、 查 询 和分 析 。该 系 统 已在 淄 博矿业集 团有限责任公司岱庄煤矿投入使用 ， 实 际 应用 结果 表 明 ， 该 系 统 可实 时监 测 井 下 生 产 能耗 的 动 态过 程 ， 收集 生产过 程 中大量 分散 的能耗 数 据 ， 并 提 供历史 数 据分 析 ， 发 现 能源消耗 过 程存 在 的问题 ， 为企 业 优化运 行 方式 和 电能 结 构 ， 建 立 企 业单 位 能 耗评估管理体系 ， 提高能源效率水平 ， 实现节能增效 提供有效依据。 参 考 文献 [ 1 ] 侯 卫锋 ， 庞戈 ， 金晓明． 大型 化工 企业能 源管 理系统 的 设计与实现[ J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 1 3 ， 2 8 4 5 - 9 ． E 2 3 王海波 ， 史友仁． 煤矿电力监控系统 的研 究与应用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 7 1 3 0 1 3 3 ． E 3 3 袁力遥 ， 陈健华． 多功 能电能 表 R S - 4 8 5接 口的通 信故 障及解决方法 [ J ] ． 通讯世界 ， 2 0 1 3 6 9 4 9 5 ． [ 4 ] 赵曼 ， 武 风波 ， 汪正进 ， 等． 矿井信号 收发器通 信模块设 计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 2 9 - 1 2 ． [ 5 ] 王楠． 计算机 网络 通信 中实时差错 控制 技术 E J 3 ． 信 息 通信 ， 2 0 1 1 3 2 1 2 2 ． E 6 ] 翟 明玉 ， 王瑾 ， 吴庆 曦， 等． 电网调度 广域分 布式实时数 据库 系统体 系架 构和关 键技 术[ J ] ． 电力 系统 自动化 ， 201 3。 3 7 2 6 7 71 ． N 一