煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器設(shè)計(jì)

王 磊

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

山西焦煤集團(tuán)東曲煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)的保護(hù)器存在智能化水平低、實(shí)時(shí)性差等諸多問(wèn)題，主通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，保護(hù)器動(dòng)作不及時(shí)極易造成風(fēng)機(jī)損壞，瓦斯、粉塵以及有毒有害氣體積聚，嚴(yán)重威脅工人身體健康和生命安全。因此，設(shè)計(jì)煤礦主通風(fēng)智能保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)煤礦安全、穩(wěn)定、健康生產(chǎn)。

1 功能設(shè)計(jì)

煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1，由主通風(fēng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)、主通風(fēng)機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)兩部分組成。主通風(fēng)綜合保護(hù)系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)系統(tǒng)的漏電閉鎖保護(hù)、電壓保護(hù)以及電流保護(hù)。當(dāng)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā)智能保護(hù)器立即動(dòng)作，防止發(fā)生安全事故。主通風(fēng)機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，由風(fēng)機(jī)工作方式、風(fēng)量調(diào)節(jié)方法、風(fēng)機(jī)調(diào)速方式、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速策略4 部分組成。主通風(fēng)機(jī)采用壓入式通風(fēng)工作方式，根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)電機(jī)的模糊變頻調(diào)速[1-2]，使得主通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效、節(jié)能。

圖1 煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)、漏電閉鎖電路設(shè)計(jì)、電壓信號(hào)采集電路、通信電路設(shè)計(jì)以及時(shí)鐘、復(fù)位、JTAG 電路設(shè)計(jì)等。

煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器供電電源電壓為36 V，經(jīng)整流降壓后輸出DC12 V，然后逐級(jí)降壓至5 V、3.3 V 以及1.8 V，其中DSP 芯片需3.3 V、1.8 V 電壓，顯示屏、蜂鳴器5 V 電壓[3-4]。5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電壓轉(zhuǎn)換電路原理示意如圖2 所示。LMS1117 為電壓轉(zhuǎn)換芯片，具有轉(zhuǎn)換效率高、電壓輸出范圍大、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

圖2 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 穩(wěn)壓電路原理示意

漏電閉鎖電路原理示意如圖3 所示，用于對(duì)供電系統(tǒng)電纜進(jìn)行絕緣檢測(cè)，當(dāng)絕緣水平達(dá)到1.5 倍動(dòng)作電阻值后才可投入主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行。圖3 中的電阻R74、供電電纜以及大地形成通路，電流流經(jīng)絕緣電阻后形成壓降，可通過(guò)壓降的大小判斷絕緣電阻阻值。D3、D4 二極管組成鉗位電路，防止該通路的電壓過(guò)大。LM324 為運(yùn)算放大器，與電阻R58、電容C67 組成濾波電路，對(duì)進(jìn)入DSP 控制器的采樣電壓進(jìn)行濾波。

圖3 漏電閉鎖電路原理示意

電壓信號(hào)采集電路原理示意如圖4 所示。ZMPT101 為電壓互感器，可采集250 V 以?xún)?nèi)的交流電壓信號(hào)，變比為1:1 且不改變電流值。電阻R6、R7 為限流電阻，用于將ZMPT101 采集到的電壓限制在一定范圍內(nèi)。電阻R8 為二次側(cè)電流采樣電阻，電流經(jīng)該電阻后變成交流電壓。電阻R10、R14 為偏置電阻，可將電壓穩(wěn)定偏置于0～3 V 內(nèi)。LM324以及電阻R42、電容C56 組成濾波電路，將采集到的電壓信號(hào)濾波后輸送至DSP 芯片。

圖4 電壓信號(hào)采集電路原理示意

3 軟件設(shè)計(jì)

煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器軟件設(shè)計(jì)基于TI 公司推出的CCS（Code Composer Studio）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)，包括代碼的編寫(xiě)、編譯、鏈接、調(diào)試等，同時(shí)可利用CCS 集成的分析工具和GEL 工具模擬智能保護(hù)器的硬件功能和參數(shù)配置。根據(jù)煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將軟件系統(tǒng)分為主程序模塊、A/D采樣程序模塊、風(fēng)機(jī)保護(hù)程序模塊、變頻調(diào)速程序模塊、通信程序模塊、故障處理程序模塊等。

1）主程序模塊。完成主通風(fēng)智能保護(hù)器系統(tǒng)初始化、GPIO 初始化、外設(shè)初始化以及寄存器配置、中斷配置等功能，具體包括初始化時(shí)鐘、看門(mén)狗、外設(shè)時(shí)鐘、I/O 口配置、ADC、SCI 以及定時(shí)器等。主程序模塊以while（1）模式循環(huán)掃描，由中斷觸發(fā)并進(jìn)入其他程序模塊，執(zhí)行完中斷程序后返回至原處繼續(xù)執(zhí)行主程序。

2）A/D 采樣程序模塊。完成主通風(fēng)智能保護(hù)器模擬量采集，包括絕緣電阻值、漏電檢測(cè)、風(fēng)速儀數(shù)據(jù)、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、溫濕度、CO 數(shù)值、CO2數(shù)值等。ADC 采樣頻率為6 kHz，一次采樣用時(shí)0.02 s。A/D 采樣程序詳細(xì)流程如圖5。

圖5 A/D 采樣程序模塊流程

3）風(fēng)機(jī)保護(hù)程序模塊。完成主通風(fēng)智能保護(hù)器的風(fēng)機(jī)保護(hù)功能，對(duì)漏電閉鎖故障、風(fēng)速儀數(shù)據(jù)異常故障、瓦斯?jié)舛犬惓９收弦约捌渌麄鞲衅鲾?shù)據(jù)故障進(jìn)行分析和判斷，即對(duì)采樣值數(shù)據(jù)與給定值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)保護(hù)判據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。判斷風(fēng)機(jī)存在故障后進(jìn)入故障處理模塊，判斷風(fēng)機(jī)無(wú)故障后返回主程序。風(fēng)機(jī)保護(hù)程序詳細(xì)流程如圖6。

圖6 風(fēng)機(jī)保護(hù)程序模塊流程

4）變頻調(diào)速程序模塊。完成主通風(fēng)電機(jī)的變頻調(diào)速功能，根據(jù)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、風(fēng)速以及CO、CO2、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)主通風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速[5-6]，在保障巷道環(huán)境安全的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

5）通信程序模塊。完成主通風(fēng)智能保護(hù)器與變頻器的CAN 總線通信，包括通信連接的建立、維護(hù)等。

6）故障處理程序模塊。完成主通風(fēng)機(jī)智能保護(hù)器的故障分級(jí)與處理。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)由筆記本電腦、主通風(fēng)智能保護(hù)器樣機(jī)、變頻器、三相交流異步變頻電動(dòng)機(jī)、示波器組成。主通風(fēng)智能保護(hù)器樣機(jī)與變頻器通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。試驗(yàn)平臺(tái)輸入信號(hào)為0～3 V 電壓信號(hào)，通過(guò)電位器阻值模擬輸入信號(hào)值，采用人為增加漏電電阻驗(yàn)證主通風(fēng)智能保護(hù)器的漏電閉鎖功能，測(cè)試不同電壓等級(jí)、不同電流過(guò)載倍數(shù)時(shí)主通風(fēng)智能保護(hù)器能否完成合閘、跳閘、漏電閉鎖及顯示功能。

采用附加直流電源檢測(cè)法測(cè)試主通風(fēng)智能保護(hù)器供電線路的絕緣水平，絕緣電阻阻值與輸入電壓之間的關(guān)系可表示為式（1）：

式中：Uc為絕緣電阻輸入電壓；Rx為供電電纜對(duì)地絕緣電阻。表1 為不同電壓等級(jí)下對(duì)應(yīng)的動(dòng)作電阻值以及參考電壓值測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 漏電閉鎖測(cè)試數(shù)據(jù)

煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器供電線路漏電閉鎖檢測(cè)完畢后即可合閘，主通風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)模擬電壓值來(lái)模擬過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)等故障，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的主通風(fēng)智能保護(hù)器能夠可靠、穩(wěn)定工作，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 主通風(fēng)機(jī)保護(hù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 應(yīng)用效果

將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦地面主通風(fēng)保護(hù)器應(yīng)用于山西焦煤集團(tuán)東曲煤礦主通風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)6 個(gè)月工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1）保護(hù)動(dòng)作實(shí)時(shí)性強(qiáng)，主通風(fēng)系統(tǒng)故障時(shí)能夠及時(shí)觸發(fā)故障報(bào)警，靈敏性好，準(zhǔn)確度高，觸發(fā)故障報(bào)警實(shí)際動(dòng)作時(shí)間的誤差率≤0.05%。

2）綜合保護(hù)能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓、過(guò)載等綜合保護(hù)。表3 所示為主通風(fēng)保護(hù)器工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，主通風(fēng)機(jī)發(fā)生過(guò)壓、欠壓、斷相、三相不平衡時(shí)的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)表明，該煤礦地面主通風(fēng)保護(hù)器實(shí)時(shí)性強(qiáng)，保護(hù)動(dòng)作迅速。

表3 主通風(fēng)機(jī)保護(hù)器工業(yè)試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

1）完成了煤礦地面主通風(fēng)智能保護(hù)器的功能設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，完成試驗(yàn)驗(yàn)證分析。結(jié)果表明，該主通風(fēng)智能保護(hù)器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，解決了原主通風(fēng)系統(tǒng)存在的實(shí)時(shí)性差、保護(hù)動(dòng)作遲緩等問(wèn)題。

2）有效提升了煤礦地面主通風(fēng)系統(tǒng)的智能化水平，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，保障了煤礦安全、高效、穩(wěn)定生產(chǎn)。