摘 要：文章提出了一種基于單片機的雙電源雙風機智能保護控制系統(tǒng)的設計方案，簡要介紹了該系統(tǒng)的組成與工作原理，著重分析了系統(tǒng)的互補控制策略和啟動控制策略。現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)能準確可靠地實現(xiàn)主、備風機的自動切換，并可減小啟動沖擊電流對電源的影響。
關鍵詞：礦井；雙電源雙風機；微機保護；控制策略
0 引言
目前，我國煤礦通風系統(tǒng)中，雙電源雙風機是一種比較高效、安全的風機組成形式，其自動切換裝置是系統(tǒng)中的關鍵設備，直接關系到整個系統(tǒng)能否安全運轉(zhuǎn)。因此，雙電源雙風機自動切換裝置保護、控制方式的有效性與可靠性對其安全運行至關重要。
目前，已運行的雙電源雙風機大都采用繼電器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在現(xiàn)場事故發(fā)生時無法自動采取緊急措施，嚴重影響了設備的安全運行。因此，本文提出了一種新型的基于單片機的雙電源雙風機智能保護控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)運用CAN總線技術，結(jié)合自適應互補控制策略，可以方便地檢測雙電源雙風機的各項運行參數(shù)；當風機出現(xiàn)故障或工作不正常時，能夠?qū)崟r準確地采取相應的故障處理措施，并發(fā)出警告信息；能準確可靠地實現(xiàn)主、備風機的自動切換，當一臺風機出現(xiàn)故障停機后，另一臺風機自動啟動，保證井下供風不間斷；多臺風機依次啟動，可避免多臺設備同時啟動時產(chǎn)生過大啟動電流而損壞設備。
1 雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)的組成
雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)包括主機和從機2個保護控制系統(tǒng)，控制核心采用雙CPU結(jié)構(gòu)，下設通信、LCD顯示、人機接口、控制與保護4個功能模塊。其中，8位 AVR單片機作為上位機，負責實現(xiàn)LCD顯示、人機交互、CAN總線通信等功能；16位DSPIC單片機作為下位機，負責實時采集處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行保護算法，對風機進行保護與控制。這種結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的實時性，使CPU分工明確，提高效率。
來自電網(wǎng)的雙電源分別對主機保護控制系統(tǒng)與從機保護控制系統(tǒng)單獨供電。主機與從機互補，保證供風系統(tǒng)不問斷運行。同時，主機保護控制系統(tǒng)與從機保護控制系統(tǒng)分別控制2臺風機的運行。
由于主機保護控制系統(tǒng)與從機保護控制系統(tǒng)是2個相互獨立又相互互補的系統(tǒng)，這就要求主機控制系統(tǒng)與從機控制系統(tǒng)不僅要清楚本系統(tǒng)所處的狀態(tài)，同時還要明白互補系統(tǒng)所處的狀態(tài)。所以主機控制系統(tǒng)與從機控制系統(tǒng)之間需要以某種方式進行通信。
因為雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)必須嚴格保證井下的持續(xù)供風，所以從機在主機停機時必須立即投入運行。CAN總線作為一種軟件通信方式，會由于井下工作環(huán)境的復雜多變或軟件協(xié)議本身延遲等原因無法使互補系統(tǒng)在第一時間接收到表示對方工作狀態(tài)的幀。從供風系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性方面考慮，這是不允許的。所以，本系統(tǒng)采用了基于硬件的互補系統(tǒng)通信方式。
該通信方式是在主機和從機各設置1個輔助繼電器作為“握手信號”，其連接方式如圖2所示。
Z-JZ-1與Z-JZ-2為主機輔助繼電器的1個常閉接點，F(xiàn)-ZJ-1與F-ZJ-2為從機輔助繼電器的1個常閉接點，Zflag與 Fflag為系統(tǒng)狀態(tài)檢測信號。主機/從機輔助繼電器隨著主機/從機開關斷路器的分合閘而分合閘，以通知對方目前所處的狀態(tài)。系統(tǒng)默認檢測信號為高電平表示主機/從機處于合閘運行狀態(tài)，低電平表示主機/從機處于分閘狀態(tài)。
該通信方式的特點在于通信簡單可靠，風機控制系統(tǒng)可以在較短時間內(nèi)有效地檢測到互補系統(tǒng)的狀態(tài)，從而決定本系統(tǒng)的控制策略。
2 系統(tǒng)互補控制策略
雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)的工作環(huán)境要求其工作必須可靠，嚴格保證井下供風的持續(xù)性。這就要求無論是在所有風機均處于正常狀態(tài)或是在某些風機處于故障狀態(tài)的情況下，控制系統(tǒng)必須和它的互補系統(tǒng)一起決定最佳的通風控制策略。
表1為雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的互補控制策略表，其最大限度地利用了未發(fā)生故障的風機資源，保證了井下通風的持續(xù)性。表中，主機故障或從機故障包括主機或從機任何一臺風機發(fā)生故障以及主機或從機斷電的情況；主機或從機單路故障均假定為主1或從1發(fā)生了故障。
2.1 主機保護控制系統(tǒng)程序流程
一般說來，主機保護控制系統(tǒng)作為井下通風的常用系統(tǒng)，接收外部輸入的系統(tǒng)啟動命令，控制整個互補系統(tǒng)投人運行。其通過控制Zflag信號變化和檢測Fflag信號保證控制策略的實現(xiàn)。圖3為主機保護控制系統(tǒng)程序流程圖。
主機保護控制系統(tǒng)輔助繼電器隨主斷路器的分合閘而分合閘，由一個常閉接點控制Zflag信號變化。Zflag信號從低電平轉(zhuǎn)換為高電平表示主機啟動，從高電平轉(zhuǎn)化為低電平表示主機停止。
當主機合閘運行時，保護控制系統(tǒng)的各種保護算法啟動，對運行中的風機進行各種故障的保護。一旦檢測到風機在運行中發(fā)生故障，先斷開主斷路器，切斷風機電源，發(fā)出故障報警，上傳故障信息；同時，斷開輔助繼電器，轉(zhuǎn)入分閘待機狀態(tài)。
當主機處于分閘待機時，保護控制系統(tǒng)實時檢測Fflag信號狀態(tài)。如果Fflag信號一定時間內(nèi)處于低電平或從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，則主機保護控制系統(tǒng)先進行自檢。若系統(tǒng)控制的風機沒有發(fā)生故障或沒有全部發(fā)生故障，主機保護控制系統(tǒng)立刻啟動未發(fā)生故障的風機，轉(zhuǎn)入合閘運行狀態(tài)。
2.2 從機保護控制系統(tǒng)程序流程
從機保護控制系統(tǒng)一般作為井下通風的備用系統(tǒng)，接收外部的啟動信號，不只有在主機保護控制系統(tǒng)控制的風機發(fā)生故障的情況下，才作為備用系統(tǒng)投入運行。
從機保護控制系統(tǒng)輔助繼電器隨其主斷路器的分合閘而分合閘，由一個常閉接點控制Fflag信號變化，F(xiàn)flag信號從低電平轉(zhuǎn)換為高電平表示從機啟動，從高電平轉(zhuǎn)換為低電平表示從機停止。從機保護控制系統(tǒng)程序流程與主機類似，不再贅述。
3 系統(tǒng)啟動控制策略
3.1 系統(tǒng)啟動時的沖擊電流分析
基于上述分析，一個雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)可控制2臺風機，這2臺風機共用1個電源。而在實際現(xiàn)場，通風通道可能不止1個，需要多個保護控制系統(tǒng)控制2臺以上的風機進行通風。這些主機保護控制系統(tǒng)可能共用的是一個電源，而其互補從機保護控制系統(tǒng)則共用另一個電源，這就出現(xiàn)了在1個電源上掛接多臺風機的情況。風機屬于感應電動機，其啟動電流沖擊較大，等于風機的堵轉(zhuǎn)電流，大約為其額定電流的5～7倍。假設在1個電源上接了N臺風機負載，每臺風機的額定電流皆為IN，如果這N臺風機負載同時啟動，將對電源產(chǎn)生N×（5～7）IN的沖擊電流，容易造成電源系統(tǒng)低電壓。
為了防止上述情況的發(fā)生，必須在風機啟動方面采取一定的措施。由于單臺風機的啟動沖擊電流對電源影響較小，故可以采取適當?shù)难訒r措施使多臺風機依次啟動，使風機在啟動時對電源的電流沖擊保持在較低的水平。
3.2 系統(tǒng)啟動控制策略分析
現(xiàn)以1個電源接4個保護控制系統(tǒng)、拖動8臺風機的供電系統(tǒng)為例，分析當電源1發(fā)生故障、8臺風機停機時，與其互補的4個從機保護控制系統(tǒng)控制的8臺風機立即啟動運行、維持井下供風時的控制策略。
假定每臺風機的額定電流皆為IN，設風機電流與時間之間的函數(shù)關系如下：
I=f（t）E（t）（1）
式中：E（t）為階越函數(shù)。
在電源線路上的總電流Isum為
式中：fi（t）表示第i臺風機電流與時間的關系函數(shù)，fi（t）與一般的交流電動機的電流與時間的關系函數(shù)大致相同；ti表示為第i臺風機的啟動時刻。
電源系統(tǒng)一般都設有保護裝置，發(fā)生短路故障時自動跳閘。而風機即感應電動機的短路保護定值一般設置在其額定電流的8倍以上。所以，在設置電源系統(tǒng)的短路保護定值時，一般將其短路保護門限電流設置在當8臺風機都處于額定電流工作情況下，加上1臺風機發(fā)生短路故障時產(chǎn)生的總電流。
所以，電源系統(tǒng)的短路保護電流門限值設置為（7+8×1）IN=15IN。
雙電源雙風機保護控制系統(tǒng)啟動控制策略的目標是調(diào)整各風機的啟動時間t1～t8，使其在任何時刻滿足條件：
Isum＜15IN （3）
因風機的啟動過程一般比較短暫，而上述目標函數(shù)涉及到8個可變量，求解比較困難，故可將條件簡化，即假設在第i（i>2）臺風機接收到啟動命令時，第i-1臺風機還處于啟動過程中，風機電流f t-1（t）>IN,而第i-2臺以及更早啟動的風機則可以默認已處于啟動完成狀態(tài)，風機電流可以直接用IN代替。因此，可以將系統(tǒng)啟動控制策略的條件改變?yōu)?br />
因為fi（0）等于風機的堵轉(zhuǎn)電流，所以式（4）還可進一步簡化為
由于每個條件只與其中的2個時間參數(shù)有關，這樣就使得系統(tǒng)的控制策略大大地得到了簡化。
3.3 系統(tǒng)啟動控制策略的具體實現(xiàn)
雙電源雙風機智能保護控制系統(tǒng)實現(xiàn)啟動控制策略的措施：事先測定時間t1-tn并設定首臺風機，首臺風機接收到啟動信號后立即啟動；當任意第i臺風機啟動的同時，系統(tǒng)內(nèi)部時鐘開始計時，經(jīng)過時間ti+1-ti之后，通過CAN總線發(fā)送允許第i+1臺風機啟動的啟動信號，則第i+1臺風機接收到該信號后立即啟動。
本系統(tǒng)利用時間判據(jù)控制風機啟動，取代一般情況下利用電流判據(jù)控制風機啟動的方法，是出于對井下供風持續(xù)性的要求。如果用電流判據(jù)控制風機的啟動，由于啟動電流很大，此時用于檢測電流的互感器可能處于非最佳的線性檢測區(qū)，A/D轉(zhuǎn)換芯片也可能因為電流過大而處于最大值。這些原因?qū)⑹箚纹瑱C內(nèi)部經(jīng)算法計算出來的電流結(jié)果與實際電流結(jié)果產(chǎn)生誤差。而該誤差將導致采用電流判據(jù)判別啟動條件的過程較采用時間判據(jù)判別的過程所用時間長，從而使系統(tǒng)的實時性下降。
4 結(jié)語
本文介紹了一種雙電源雙風機智能保護控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)采用的互補控制策略和啟動控制策略，夠?qū)崿F(xiàn)主機和從機的及時切換，能保證供風系統(tǒng)不間斷地運行，同時能夠減小由于多臺風機同時啟動對電源造成的沖擊。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試與試驗，該系統(tǒng)取得了良好的使用效果，保證了井下供風的持續(xù)性，使井下通風系統(tǒng)的安全系數(shù)大大增加。該智能保護控制系統(tǒng)的下一步改進方向是基于環(huán)境變化（如風量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓龋?利用智能控制技術實時調(diào)整控制策略，使系統(tǒng)更加適應生產(chǎn)環(huán)境的要求，進一步提高安全系數(shù)。
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