長距離輸送機保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)設計

李建志

（山西汾西礦業(yè)集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

傳統(tǒng)的保護開關監(jiān)測與定位方法對保護開關以及保護開關的工作環(huán)境都有較高的要求。目前，長距離輸送機的保護開關的工作環(huán)境比較惡劣，使保護開關很容易出現(xiàn)故障，增加了保護開關的更換與維修的頻率，同時也降低了保護開關對輸送系統(tǒng)的監(jiān)測與保護[1-3]。本文采用了一種使用簡單、耐用、低成本的開關作為保護開關來解決這一問題，并對保護開關進行監(jiān)測與定位硬件設計[4]。

1 保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)的基本組成

保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)主要是由控制器、保護開關電路、通訊電路以及相應檢測傳感器電路組成。控制器是系統(tǒng)的核心，它通過電流傳感器和電壓傳感器實時監(jiān)測并保存保護開關電路的電壓和電流數(shù)據(jù)，通過檢測到的電流數(shù)據(jù)并根據(jù)相應的控制算法得出為保持保護開關電路恒流所需的占空比，在恒流完成的條件下，根據(jù)反饋回來的電壓數(shù)據(jù)來確定是否有保護開關的狀態(tài)發(fā)生改變即確定輸送機系統(tǒng)是否有故障發(fā)生，并把相應的故障警報通過通訊電路發(fā)送到輸送系統(tǒng)的控制中心[5-7]。與此同時控制器根據(jù)相應的公式計算出狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關序列號即確定了發(fā)生故障位置。功率開關器件控制著整個電路的開通與關斷，使得單片機可以通過它完成對主電路的控制。LED顯示和鍵盤控制實現(xiàn)了人機交流。通訊模塊滿足了保護開關監(jiān)測與定位裝置與其他設備的通信。整個系統(tǒng)的結構組成如圖1所示。

2 保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)功能及原理

圖1 輸送機保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)的整體結構圖

保護開關監(jiān)測與定位系統(tǒng)的主要任務有兩個，一是監(jiān)測功能。當輸送機開始工作的時候，實時監(jiān)測著輸送系統(tǒng)的所有保護開關，主要涉及到的有拉繩、跑偏、撕裂、料流等保護開關。當監(jiān)測到某個保護開關的狀態(tài)發(fā)生了改變時說明某個部位發(fā)生了故障，控制中心做出相應的反映，用以確保沿線工作人員的人身安全和生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)。二是定位功能。由于大部分長距離輸送機都工作在隧道、礦井等沒有通訊能力的地方，所以準確定位事故發(fā)生地尤為重要。在確定故障發(fā)生的同時，保護開關監(jiān)測與定位裝置會立刻通過設定好的方法計算出故障發(fā)生的位置定位出故障發(fā)生處，并通過通訊總線將發(fā)生故障的位置發(fā)送給輸送系統(tǒng)的控制中心。

3 保護開關監(jiān)測與定位的方法

下面將通過基于恒流源的長距離輸送機保護開關監(jiān)測與定位的等效電路圖（如圖2所示），詳細地闡述保護開關監(jiān)測與定位的方法。

圖2 基于恒流源的長距離輸送機保護開關監(jiān)測與定位的等效電路圖

DC為直流電源，r為標準電阻，△r為每兩個保護開關之間導線的電阻，I0為保護開關監(jiān)測定位裝置給外部保護開關電路提供的直流恒流源，U為外部保護開關電路的總電壓。k1、k2、k3、…、k11均為普通的開關，它和一個標準電阻r構成一個保護開關。

3.1 保護開關監(jiān)測的方法

當輸送系統(tǒng)開始工作后，在沒有故障發(fā)生位置的保護開關保持常開的狀態(tài)，如果某個位置發(fā)生故

式中：m為狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的序號；P為保護開關的總數(shù)目；Δr為兩個保護開關之間的導線的電阻。

無論是否有故障發(fā)生，保護開關回路中的電流都為I0，那么此時開關監(jiān)測定位裝置內(nèi)電壓傳感器監(jiān)測的電壓U1為：

在公式（2）中，I0為設定的恒定值，所以U1的取值決定于Rm。保護開關監(jiān)測裝置是根據(jù)監(jiān)測到的電壓U1來判斷輸送機系統(tǒng)是否有故障發(fā)生，根據(jù)公式（1）和（2）可知，U1的值取決于保護開關回路中的總電阻值Rm的取值。所以當故障發(fā)生后，開關監(jiān)測定位裝置所監(jiān)測到的電壓與沒有發(fā)生故障時是不同的（超出由誤差引起的電壓波動范圍），裝置根據(jù)電壓的變化情況向輸送系統(tǒng)的控制端發(fā)送故障信號，然后控制輸送機急停并等待故障處理。

3.2 保護開關定位的方法

假設狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的序號為K，K的計算公式為：障，那么該位置的保護開關的狀態(tài)由斷開變?yōu)殚]合，這將導致保護開關電路所串聯(lián)的保護開關數(shù)目發(fā)生改變，保護開關電路的總阻值發(fā)生改變。設整個保護開關回路中串聯(lián)的電阻的阻值Rm，保護開關回路中的阻值Rm分為兩種情況。一種是沒有故障發(fā)生即沒有保護開關的狀態(tài)發(fā)生改變，此時保護開關回路阻值為所有標準電阻與導線電阻的和；第二種為故障發(fā)生時即有保護開關的狀態(tài)由斷開變?yōu)榱碎]合，此時保護開關回路阻值為狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關到開關監(jiān)測定位裝置之間所有標準電阻和導線電阻的和。由此可知，Rm的表達式為：

式中，I1為保護開關監(jiān)測定位裝置內(nèi)的電流傳感器檢測到得電流值；U1為電壓傳感器檢測到的電壓值；R為每個保護開關所等效的電阻值。

R的表達式為：

式中，r為每個保護開關中的標準電阻。假設每個保護開關的等效電阻為開關所帶的標準電阻r與每兩個保護開關之間來回導線阻2Δr之和。

雖然U1是通過開關監(jiān)測定位裝置內(nèi)的電壓傳感器測量出來的值，但是它的值是由外部保護開關電路的現(xiàn)在的阻值和電流決定的。

U1的表達式為：

式中，a為保護開關的電阻誤差值。在這里考慮的是總電阻的正、負誤差，也就是誤差的最大范圍。序號最后需要取整數(shù)。

由上述方法可知，當某個保護開關的狀態(tài)發(fā)生了改變，可通過公式（7）計算出狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的序號，也就定位了故障發(fā)生地。

4 仿真分析

通過公式（7）可知，能否準確地定位狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的位置的準確度取決于設定串聯(lián)電阻的誤差值a和回路中電阻的個數(shù)n。

本文的仿真中所選取的參數(shù)有：r=100 Ω，Δr=0.576 Ω，n=1，2，3，…，70。標準電阻的誤差a取值范圍為1、3、5。下面通過不同誤差值a，來觀察計算結果和真實結果的誤差情況，選擇誤差值最合適的標準電阻。不同的誤差值計算結果和真實結果對比如下面的圖3—圖5所示。

圖3—圖5中k1線為負誤差（所有的標準電阻阻值為r（1-0.01a））時，通過保護開關定位方法計算得出的結果。k2線為正誤差（所有的標準電阻阻值為r（1+0.01a））時，通過保護開關定位方法計算得出的結果。在不同的真實故障發(fā)生處與誤差值a的情況下，保護開關定位方法計算得出保護開關序號正、負誤差絕對值越大，證明定位越不準確；越小則證明定位越準確。

式中，R1為外部保護開關電路總阻值的實際值，R1的表達式為：

式中：r1是每個保護開關中的電阻的實際值，r1=（1±0.01a）r。n為保護開關回路中實際串聯(lián)電阻的個數(shù)，就是狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的實際序號，也代表故障發(fā)生的地址。

通過公式（3）（4）（5）（6）可知狀態(tài)發(fā)生改變的保護開關的序號K的最終計算公式為：

圖3 a=l時的結果對比

圖4 a=3時的結果對比

圖5 a=5時的結果對比

如上頁圖3所示，當標準電阻誤差值a=l，發(fā)生故障處的保護開關序號為m=70。負誤差情況下計算得出保護開關的序號為k1=69，正誤差情況下計算得出保護開關的序號為k2=71。在這種情況下維修人員最多需要檢測3個保護開關就能夠找到故障發(fā)生的具體位置，故障范圍縮小。由此可知，標準電阻誤差值為1的情況下就可以滿足工程的需求。

如圖5所示，當標準電阻誤差值a=5，發(fā)生故障處的保護開關序號為m=70。負誤差情況下計算得出保護開關的序號為kl=66，正誤差情況下計算得出保護開關的序號為k2=74。在這種情況下維修人員最多需要檢測9個保護開關才能找到故障發(fā)生的具體位置，以每兩個保護開關間距為60 m來計算，維修人員就要檢查540 m的距離，造成大量的人力和時間的浪費。由此可知，標準電阻誤差值在大于等于5的情況下是滿足不了工程需求。

5 結論

1）在不同的真實故障發(fā)生處以及在誤差值a的情況下，保護開關定位方法計算得出保護開關序號正、負誤差的絕對值越大，證明定位越不準確；開關序號正、負誤差絕對值越小則證明定位越準確。

2）標準電阻誤差值為1的情況下就可以準確地定位故障發(fā)生地址。