礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

許連丙

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

0 引言

礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置是礦用采掘裝備工頻回路控制中必不可少的裝置之一，其功能主要是監(jiān)測工頻回路中電機(jī)空載啟動(dòng)、帶載啟動(dòng)和正常運(yùn)行過程中可能發(fā)生的短路、過載、缺相等異常狀況，并針對(duì)以上異常狀況及時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，避免造成對(duì)電機(jī)、電源甚至人員的傷害。

早期的礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置不是一個(gè)單一的部件，而是由多個(gè)部分組成的。電流變送器+電機(jī)綜合保護(hù)器是早期電機(jī)綜合保護(hù)裝置的雛形。其中:電流變送器負(fù)責(zé)電流信號(hào)的采樣;電機(jī)綜合保護(hù)器負(fù)責(zé)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用運(yùn)算放大器和比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)異常狀況的監(jiān)測和保護(hù)。隨著可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的出現(xiàn)，礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置逐漸向軟件控制方向發(fā)展，但其基本結(jié)構(gòu)仍然是電流變送器+PLC的形式。由PLC代替電機(jī)綜合保護(hù)器，其優(yōu)勢是可以通過軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)閾值的修改，缺點(diǎn)是電流變送器和PLC仍然是分開布置使用的，它們之間引線較多，使用和維護(hù)都不方便[1]。

近幾年，隨著智能化發(fā)展的不斷推進(jìn)，尤其是礦用采掘裝備智能化發(fā)展要求的不斷提高，礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置作為礦用采掘裝備不可缺少的電控部件，其智能化發(fā)展迫在眉睫。目前，應(yīng)用于工頻電機(jī)保護(hù)的相關(guān)智能化產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，例如馬達(dá)保護(hù)器、智能電流變送器等。

本文以在用的工頻電機(jī)保護(hù)的智能化產(chǎn)品為基礎(chǔ)，深入研究了礦用智能化產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于煤礦井下的礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 概述

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)集測量、計(jì)算、邏輯判斷、通信、顯示于一體。保護(hù)參數(shù)整定可通過操作面板完成，或者通過通信方式由上位機(jī)完成。在測量方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有三相交流電壓、電流、漏電流、電機(jī)繞線溫度和絕緣數(shù)值采樣功能。在保護(hù)方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有電壓缺相保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電機(jī)繞組過熱保護(hù)、負(fù)載不平衡保護(hù)、漏電保護(hù)等功能。在接口方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有對(duì)所控對(duì)象(如交流接觸器)的吸合線圈控制接口、接觸器觸頭狀態(tài)反饋信號(hào)接口、電機(jī)漏電閉鎖引線接口等。在控制方面，保護(hù)裝置應(yīng)能遠(yuǎn)程控制，可以通過通信的方式將綜合保護(hù)裝置的工作狀態(tài)及信息實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)用于煤礦井下裝備的電控系統(tǒng)中，布置于防爆箱殼體內(nèi)。另外，礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置在煤礦設(shè)備電控系統(tǒng)中的使用非常廣泛，并且應(yīng)用場合和工況多變。因此，礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則[3-4]。

①硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)高度集中。

②在滿足應(yīng)用要求的條件下，保護(hù)裝置功能應(yīng)多樣化，體積應(yīng)盡量小。

③符合抗震性要求。

④考慮保護(hù)裝置的抗干擾性能。

1.3 顯示及鍵盤設(shè)計(jì)

綜合保護(hù)裝置應(yīng)采用中文液晶顯示，內(nèi)容應(yīng)包括電壓、電流、溫度和漏電流等數(shù)據(jù)，以及故障代碼等信息。液晶顯示還能與保護(hù)裝置的控制鍵盤配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)閾值等參數(shù)的修改。

2 硬件設(shè)計(jì)

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、故障保護(hù)、遠(yuǎn)程通信、故障信息存儲(chǔ)及查詢等功能。保護(hù)裝置對(duì)電機(jī)電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣信號(hào)在保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)變換及計(jì)算，并依據(jù)不同的工況執(zhí)行相應(yīng)的邏輯判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)[5]。

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置硬件如圖1所示。

圖1 礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of mine intelligent motor comprehensive protection device

2.1 主控芯片設(shè)計(jì)

主控芯片選用TI公司的高速數(shù)字處理器DSP28335。該芯片集成了多種先進(jìn)實(shí)用的外設(shè)，例如串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface,SPI)、串行通信接口(serial communication interface,SCI)、控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)、模數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換采樣等，可以實(shí)現(xiàn)功能外擴(kuò)。其主頻最高可達(dá)150 MHz，滿足數(shù)據(jù)采樣計(jì)算快速性的要求。DSP28335支持浮點(diǎn)運(yùn)算，省去了低版本數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)中需要依靠Q格式來保證計(jì)算精度的麻煩。另外，該器件可外擴(kuò)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(static random access memory,SRAM)，便于前期程序的調(diào)試。

2.2 主控芯片電源設(shè)計(jì)

電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖Fig.2 Schematic diagram of power supply circuit

DSP28335工作時(shí)需要3.3 V的FLASH電壓及1.8 V的內(nèi)核工作電壓。芯片對(duì)供電電源極其敏感。因此，為主控芯片供電的電源芯片必須具有較高的輸出精度，紋波要小，運(yùn)行要可靠。電源芯片TPS767D301輸入電壓為+5 V，正常工作時(shí)能夠同時(shí)輸出3.3 V及1.8 V這2種電壓，可以為主控芯片DSP28335供電。另外，供電電路中有自恢復(fù)保險(xiǎn)、反向二極管、壓敏電阻等器件，對(duì)電路的過流、過壓有一定的保護(hù)作用。TPS767D301自身能夠輸出復(fù)位信號(hào)，可供DSP28335直接使用，無需為主控芯片設(shè)計(jì)專門的復(fù)位電路。

2.3 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

礦用設(shè)備供電電壓一般為AC 1 140 V，因此保護(hù)裝置采樣的電壓信號(hào)不但是交流信號(hào)，而且是高壓信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采樣，就需將高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用電阻串聯(lián)分壓的方式，實(shí)現(xiàn)將電壓信號(hào)從高壓到低壓的轉(zhuǎn)換。為了提高電壓采樣的安全性，保證當(dāng)電源側(cè)出現(xiàn)瞬間高壓或者電壓浪涌時(shí)不會(huì)對(duì)保護(hù)器造成影響，需要在電壓信號(hào)采樣中增加信號(hào)隔離電路。

交流線電壓UAC的采樣/隔離電路如圖3所示。采樣電路通過多個(gè)電阻進(jìn)行降壓，并通過10 kΩ的采樣電阻R11及R30進(jìn)行取樣。此時(shí)，在采樣電阻上的壓降約為5 V。然后，通過信號(hào)調(diào)理芯片INA128U對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，隨后采用高壓隔離芯片ISO122U對(duì)要采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行隔離，以提高電壓采樣回路的抗電壓擊穿能力。

圖3 交流電壓UAC的采樣/隔離電路圖Fig.3 Schematic diagram of AC voltage UAC sampling/isolation circuit

2.4 電流雙極性采樣電路設(shè)計(jì)

由電壓采樣電路設(shè)計(jì)可知，電壓采樣信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的變換后，仍然是雙極性的交流信號(hào)。為了提高本裝置中電流的采樣精度，電流信號(hào)的采樣采用LEM公司的電流互感器。因此，電流采樣信號(hào)也是雙極性的交流信號(hào)。原則上，DSP28335具有16路12位的A/D采樣外設(shè)，可以用于電壓/電流信號(hào)的采樣。但由于電壓、電流采樣信號(hào)均為雙極性信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)中采用雙極性采樣芯片ADS8364。該芯片可以通過地址控制端A0、A1、A2對(duì)6路幅值不超過±3.3 V的雙極性信號(hào)中的任一路信號(hào)進(jìn)行同步采樣，采樣精度為16位。當(dāng)采用最大為5 MHz的采樣頻率時(shí)，單個(gè)回路采樣周期約為4 μs，完全可以滿足保護(hù)裝置對(duì)采樣速率的要求[6]。采樣電路如圖4所示。

圖4 采樣電路圖Fig.4 Schematic diagram of sampling circuit

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)用于不同的場合，其控制對(duì)象也就不同。因此，控制參數(shù)以及保護(hù)參數(shù)的整定與修正必不可少。為提高礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置的可操作性，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，方便控制參數(shù)的掉電保存[2,7]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路圖Fig.5 Schematic diagram of data storage circuit

DSP28335具有外擴(kuò)的同步串行集成電路(inter-integrated circtuit,I2C)總線可與8 KB的EEPROM存儲(chǔ)芯片24LC08實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的掉電存儲(chǔ)功能。

2.6 通信設(shè)計(jì)

DSP28335具有2路增強(qiáng)型的CAN接口以及三路SCI接口，2種通信接口均為串行通信接口。其中，CAN通信接口具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，而SCI通信接口在工業(yè)應(yīng)用上更加廣泛。本設(shè)計(jì)中對(duì)主控芯片的CAN通信接口進(jìn)行了擴(kuò)展。CAN擴(kuò)展電路如圖6所示。

圖6 CAN擴(kuò)展電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of CAN expansion circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

以主控芯片DSP28335為中心搭建的硬件平臺(tái)，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。而要完成保護(hù)裝置的所有功能，還需要軟件的支持。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)軟件主要包括主程序、鍵盤程序、通信程序等[8]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)控制軟件的核心，通過對(duì)各個(gè)子程序塊的調(diào)用實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件的正常運(yùn)行。主程序也是整個(gè)保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯判斷的關(guān)鍵所在。在主程序中將保護(hù)裝置采樣的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行集中處理，判斷控制電機(jī)是否處于異常狀態(tài)，并實(shí)時(shí)發(fā)出相應(yīng)的控制指令；同時(shí)，將計(jì)算和判斷結(jié)果傳輸給上位機(jī)[9]。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flowchart of the main program

3.2 鍵盤程序設(shè)計(jì)

鍵盤是利用主控芯片的外部中斷來實(shí)現(xiàn)的。鍵盤共設(shè)置了“PAR”“ENTER”“+”“-”4個(gè)鍵用于保護(hù)裝置采樣修正參數(shù)和保護(hù)閥值參數(shù)的修改。4個(gè)鍵均采用開關(guān)量信號(hào)，與DSP28335的外部中斷INT1相連接，當(dāng)有按鍵操作時(shí)就會(huì)觸發(fā)并執(zhí)行鍵盤中斷程序。

鍵盤中斷子程序流程如圖8所示。

圖8 鍵盤中斷子程序流程圖Fig.8 Flowchart of the keyboard interrupt sub program

3.3 通信程序設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置采用CAN通信方式，默認(rèn)波特率為250 kbit/s(支持在線修改)，支持CAN2.0B，并結(jié)合循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check,CRC)，大大提高了通信的可靠性[10]。CAN通信收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖9所示。

圖9 CAN通信收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖Fig.9 Flowchart of sending and receiving data in CAN communication

4 測試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證保護(hù)裝置保護(hù)動(dòng)作的有效性，本文進(jìn)行了多次測試，并對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄。分別以額定電壓及額定電流的10%、100%以及120%為電壓、電流采樣測量目標(biāo)，以采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析保護(hù)裝置的采樣精度，參考低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB 14048—2016)，對(duì)保護(hù)裝置的動(dòng)作性能進(jìn)行了測試。電壓測試結(jié)果如表1所示。

表1 電壓測試結(jié)果Tab.1 Test results of the voltages

電流測試結(jié)果如表2所示。

表2 電流測試結(jié)果Tab.2 Test results of the currents

保護(hù)裝置動(dòng)作測試結(jié)果如表3所示。

表3 保護(hù)裝置動(dòng)作測試結(jié)果Tab.3 Action test results of protection device

由表1及表2中的采樣結(jié)果可以看到，雖然采樣的目標(biāo)值在額定值附近時(shí)采樣精度較高，而遠(yuǎn)離額定值時(shí)采樣精度較低，但整個(gè)數(shù)據(jù)段的電壓采樣誤差能夠達(dá)到0.9%以下，電流采樣誤差能夠達(dá)到1.21%以下，完全能夠滿足保護(hù)裝置對(duì)采樣精度的要求。另外，由表3可以看到，各個(gè)電流測試點(diǎn)都能夠滿足GB 14048—2016標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

本文采用了DSP28335以及雙極性A/D采樣芯片ADS8364，用于礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)充分考慮了礦用采掘裝備工頻回路控制的特殊性，從硬件、軟件以及應(yīng)用等方面作了詳細(xì)的介紹。試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)在采樣精度和動(dòng)作時(shí)間方面均能夠滿足對(duì)礦用采掘裝備工頻回路的保護(hù)要求。