煤礦地面主通風智能保護器設計

王 磊

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

山西焦煤集團東曲煤礦主通風系統的保護器存在智能化水平低、實時性差等諸多問題，主通風系統出現故障后，保護器動作不及時極易造成風機損壞，瓦斯、粉塵以及有毒有害氣體積聚，嚴重威脅工人身體健康和生命安全。因此，設計煤礦主通風智能保護器，實現煤礦安全、穩定、健康生產。

1 功能設計

煤礦地面主通風智能保護器功能設計結構如圖1，由主通風機綜合保護系統、主通風機智能調速系統兩部分組成。主通風綜合保護系統用于實現主通風系統的漏電閉鎖保護、電壓保護以及電流保護。當主通風機運行狀態出現故障時，觸發智能保護器立即動作，防止發生安全事故。主通風機智能調速系統用于實現主通風電機轉速的動態調節，由風機工作方式、風量調節方法、風機調速方式、風機變頻調速策略4 部分組成。主通風機采用壓入式通風工作方式，根據巷道內瓦斯濃度、粉塵濃度、風速等環境參數實現主通風機電機的模糊變頻調速[1-2]，使得主通風系統運行穩定、高效、節能。

圖1 煤礦地面主通風智能保護器功能設計結構

2 硬件設計

硬件設計包括穩壓電路設計、漏電閉鎖電路設計、電壓信號采集電路、通信電路設計以及時鐘、復位、JTAG 電路設計等。

煤礦地面主通風智能保護器供電電源電壓為36 V，經整流降壓后輸出DC12 V，然后逐級降壓至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3.3 V 電壓轉換電路原理示意如圖2 所示。LMS1117 為電壓轉換芯片，具有轉換效率高、電壓輸出范圍大、穩定性好的特點。

圖2 5 V 轉3.3 V 穩壓電路原理示意

漏電閉鎖電路原理示意如圖3 所示，用于對供電系統電纜進行絕緣檢測，當絕緣水平達到1.5 倍動作電阻值后才可投入主通風機運行。圖3 中的電阻R74、供電電纜以及大地形成通路，電流流經絕緣電阻后形成壓降，可通過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大。LM324 為運算放大器，與電阻R58、電容C67 組成濾波電路，對進入DSP 控制器的采樣電壓進行濾波。

圖3 漏電閉鎖電路原理示意

電壓信號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 以內的交流電壓信號，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。電阻R8 為二次側電流采樣電阻，電流經該電阻后變成交流電壓。電阻R10、R14 為偏置電阻，可將電壓穩定偏置于0～3 V 內。LM324以及電阻R42、電容C56 組成濾波電路，將采集到的電壓信號濾波后輸送至DSP 芯片。

圖4 電壓信號采集電路原理示意

3 軟件設計

煤礦地面主通風智能保護器軟件設計基于TI 公司推出的CCS（Code Composer Studio）集成開發環境實現，包括代碼的編寫、編譯、鏈接、調試等，同時可利用CCS 集成的分析工具和GEL 工具模擬智能保護器的硬件功能和參數配置。根據煤礦地面主通風智能保護器功能設計結構，將軟件系統分為主程序模塊、A/D采樣程序模塊、風機保護程序模塊、變頻調速程序模塊、通信程序模塊、故障處理程序模塊等。

1）主程序模塊。完成主通風智能保護器系統初始化、GPIO 初始化、外設初始化以及寄存器配置、中斷配置等功能，具體包括初始化時鐘、看門狗、外設時鐘、I/O 口配置、ADC、SCI 以及定時器等。主程序模塊以while（1）模式循環掃描，由中斷觸發并進入其他程序模塊，執行完中斷程序后返回至原處繼續執行主程序。

2）A/D 采樣程序模塊。完成主通風智能保護器模擬量采集，包括絕緣電阻值、漏電檢測、風速儀數據、瓦斯濃度、粉塵濃度、溫濕度、CO 數值、CO2數值等。ADC 采樣頻率為6 kHz，一次采樣用時0.02 s。A/D 采樣程序詳細流程如圖5。

圖5 A/D 采樣程序模塊流程

3）風機保護程序模塊。完成主通風智能保護器的風機保護功能，對漏電閉鎖故障、風速儀數據異常故障、瓦斯濃度異常故障以及其他傳感器數據故障進行分析和判斷，即對采樣值數據與給定值數據進行比較，根據保護判據對風機進行實時保護。判斷風機存在故障后進入故障處理模塊，判斷風機無故障后返回主程序。風機保護程序詳細流程如圖6。

圖6 風機保護程序模塊流程

4）變頻調速程序模塊。完成主通風電機的變頻調速功能，根據巷道內瓦斯濃度、粉塵濃度、風速以及CO、CO2、溫濕度等環境參數，動態調節主通風電機轉速[5-6]，在保障巷道環境安全的前提下，達到節能降耗的目的。

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

6）故障處理程序模塊。完成主通風機智能保護器的故障分級與處理。

4 試驗與應用

4.1 試驗驗證

在實驗室搭建煤礦地面主通風智能保護器試驗平臺，該試驗平臺由筆記本電腦、主通風智能保護器樣機、變頻器、三相交流異步變頻電動機、示波器組成。主通風智能保護器樣機與變頻器通過CAN總線進行通信。試驗平臺輸入信號為0～3 V 電壓信號，通過電位器阻值模擬輸入信號值，采用人為增加漏電電阻驗證主通風智能保護器的漏電閉鎖功能，測試不同電壓等級、不同電流過載倍數時主通風智能保護器能否完成合閘、跳閘、漏電閉鎖及顯示功能。

采用附加直流電源檢測法測試主通風智能保護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為供電電纜對地絕緣電阻。表1 為不同電壓等級下對應的動作電阻值以及參考電壓值測試數據。

表1 漏電閉鎖測試數據

煤礦地面主通風智能保護器供電線路漏電閉鎖檢測完畢后即可合閘，主通風機開始運行。通過調節模擬電壓值來模擬過壓、欠壓、過載、堵轉等故障，試驗測試數據見表2。通過測試發現，設計并實現的主通風智能保護器能夠可靠、穩定工作，滿足設計要求。

表2 主通風機保護試驗測試數據

4.2 應用效果

將設計并實現的煤礦地面主通風保護器應用于山西焦煤集團東曲煤礦主通風系統，經6 個月工業試驗發現：1）保護動作實時性強，主通風系統故障時能夠及時觸發故障報警，靈敏性好，準確度高，觸發故障報警實際動作時間的誤差率≤0.05%。

2）綜合保護能力強，實現了主通風系統過壓、欠壓、過載等綜合保護。表3 所示為主通風保護器工業試驗時，主通風機發生過壓、欠壓、斷相、三相不平衡時的實際動作時間。現場采集的數據表明，該煤礦地面主通風保護器實時性強，保護動作迅速。

表3 主通風機保護器工業試驗實際數據

5 結 語

1）完成了煤礦地面主通風智能保護器的功能設計、硬件設計以及軟件設計，完成試驗驗證分析。結果表明，該主通風智能保護器滿足設計要求，解決了原主通風系統存在的實時性差、保護動作遲緩等問題。

2）有效提升了煤礦地面主通風系統的智能化水平，達到了節能降耗的目的，保障了煤礦安全、高效、穩定生產。