基于單片機(jī)和CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

目前，我國煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中，雙電源雙風(fēng)機(jī)是一種比較高效、安全的風(fēng)機(jī)組成形式，其自動切換裝置是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否安全運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，雙電源雙風(fēng)機(jī)自動切換裝置保護(hù)、控制方式的有效性與可靠性對其安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，已運(yùn)行的雙電源雙風(fēng)機(jī)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(shí)無法自動采取緊急措施，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，本文提出了一種新型的基于單片機(jī)的雙電源雙風(fēng)機(jī)智能保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)運(yùn)用CAN總線技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)互補(bǔ)控制策略，可以方便地檢測雙電源雙風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)；當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或工作不正常時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采取相應(yīng)的故障處理措施，并發(fā)出警告信息；能準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)主、備風(fēng)機(jī)的自動切換，當(dāng)一臺風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障停機(jī)后，另一臺風(fēng)機(jī)自動啟動，保證井下供風(fēng)不間斷；多臺風(fēng)機(jī)依次啟動，可避免多臺設(shè)備同時(shí)啟動時(shí)產(chǎn)生過大啟動電流而損壞設(shè)備。

1、 雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)的組成

雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)包括主機(jī)和從機(jī)2個(gè)保護(hù)控制系統(tǒng)，控制核心采用雙CPU結(jié)構(gòu)，下設(shè)通信、LCD顯示、人機(jī)接口、控制與保護(hù)4個(gè)功能模塊。其中，8位AVR單片機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)LCD顯示、人機(jī)交互、CAN總線通信等功能；16位DSPIC單片機(jī)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行保護(hù)算法，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)與控制。這種結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)與從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)單獨(dú)供電。主機(jī)與從機(jī)互補(bǔ)，保證供風(fēng)系統(tǒng)不問斷運(yùn)行。同時(shí)，主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)與從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)分別控制2臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

由于主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)與從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)是2個(gè)相互獨(dú)立又相互互補(bǔ)的系統(tǒng)，這就要求主機(jī)控制系統(tǒng)與從機(jī)控制系統(tǒng)不僅要清楚本系統(tǒng)所處的狀態(tài)，同時(shí)還要明白互補(bǔ)系統(tǒng)所處的狀態(tài)。所以主機(jī)控制系統(tǒng)與從機(jī)控制系統(tǒng)之間需要以某種方式進(jìn)行通信。

因?yàn)殡p電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)必須嚴(yán)格保證井下的持續(xù)供風(fēng)，所以從機(jī)在主機(jī)停機(jī)時(shí)必須立即投入運(yùn)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(fù)雜多變或軟件協(xié)議本身延遲等原因無法使互補(bǔ)系統(tǒng)在第一時(shí)間接收到表示對方工作狀態(tài)的幀。從供風(fēng)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(bǔ)系統(tǒng)通信方式。

該通信方式是在主機(jī)和從機(jī)各設(shè)置1個(gè)輔助繼電器作為“握手信號”，其連接方式如圖2所示。

圖2 主機(jī)、從機(jī)握手信號連接方式圖

Z-JZ-1與Z-JZ-2為主機(jī)輔助繼電器的1個(gè)常閉接點(diǎn)，F(xiàn)-ZJ-1與F-ZJ-2為從機(jī)輔助繼電器的1個(gè)常閉接點(diǎn)，Zflag與Fflag為系統(tǒng)狀態(tài)檢測信號。主機(jī)/從機(jī)輔助繼電器隨著主機(jī)/從機(jī)開關(guān)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(rèn)檢測信號為高電平表示主機(jī)/從機(jī)處于合閘運(yùn)行狀態(tài)，低電平表示主機(jī)/從機(jī)處于分閘狀態(tài)。

該通信方式的特點(diǎn)在于通信簡單可靠，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)可以在較短時(shí)間內(nèi)有效地檢測到互補(bǔ)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(bǔ)控制策略

雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境要求其工作必須可靠，嚴(yán)格保證井下供風(fēng)的持續(xù)性。這就要求無論是在所有風(fēng)機(jī)均處于正常狀態(tài)或是在某些風(fēng)機(jī)處于故障狀態(tài)的情況下，控制系統(tǒng)必須和它的互補(bǔ)系統(tǒng)一起決定最佳的通風(fēng)控制策略。

表1為雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的互補(bǔ)控制策略表，其最大限度地利用了未發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)資源，保證了井下通風(fēng)的持續(xù)性。表中，主機(jī)故障或從機(jī)故障包括主機(jī)或從機(jī)任何一臺風(fēng)機(jī)發(fā)生故障以及主機(jī)或從機(jī)斷電的情況；主機(jī)或從機(jī)單路故障均假定為主1或從1發(fā)生了故障。

表1 雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)互補(bǔ)控制策略表

2.1 主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)程序流程

一般說來，主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)作為井下通風(fēng)的常用系統(tǒng)，接收外部輸入的系統(tǒng)啟動命令，控制整個(gè)互補(bǔ)系統(tǒng)投人運(yùn)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(shí)現(xiàn)。圖3為主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)程序流程圖。

圖3 主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)程序流程圖

主機(jī)保護(hù)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(gè)常閉接點(diǎn)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(jī)啟動，從高電平轉(zhuǎn)化為低電平表示主機(jī)停止。

當(dāng)主機(jī)合閘運(yùn)行時(shí)，保護(hù)控制系統(tǒng)的各種保護(hù)算法啟動，對運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行各種故障的保護(hù)。一旦檢測到風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生故障，先斷開主斷路器，切斷風(fēng)機(jī)電源，發(fā)出故障報(bào)警，上傳故障信息；同時(shí)，斷開輔助繼電器，轉(zhuǎn)入分閘待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)主機(jī)處于分閘待機(jī)時(shí)，保護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測Fflag信號狀態(tài)。如果Fflag信號一定時(shí)間內(nèi)處于低電平或從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，則主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)先進(jìn)行自檢。若系統(tǒng)控制的風(fēng)機(jī)沒有發(fā)生故障或沒有全部發(fā)生故障，主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)立刻啟動未發(fā)生故障的風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)入合閘運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)程序流程

從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)一般作為井下通風(fēng)的備用系統(tǒng)，接收外部的啟動信號，不只有在主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)控制的風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的情況下，才作為備用系統(tǒng)投入運(yùn)行。

從機(jī)保護(hù)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(gè)常閉接點(diǎn)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(jī)啟動，從高電平轉(zhuǎn)換為低電平表示從機(jī)停止。從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)程序流程與主機(jī)類似，不再贅述。

3、 系統(tǒng)啟動控制策略

3.1 系統(tǒng)啟動時(shí)的沖擊電流分析

基于上述分析，一個(gè)雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)可控制2臺風(fēng)機(jī)，這2臺風(fēng)機(jī)共用1個(gè)電源。而在實(shí)際現(xiàn)場，通風(fēng)通道可能不止1個(gè)，需要多個(gè)保護(hù)控制系統(tǒng)控制2臺以上的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。這些主機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)可能共用的是一個(gè)電源，而其互補(bǔ)從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)則共用另一個(gè)電源，這就出現(xiàn)了在1個(gè)電源上掛接多臺風(fēng)機(jī)的情況。風(fēng)機(jī)屬于感應(yīng)電動機(jī)，其啟動電流沖擊較大，等于風(fēng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，大約為其額定電流的5～7倍。假設(shè)在1個(gè)電源上接了N臺風(fēng)機(jī)負(fù)載，每臺風(fēng)機(jī)的額定電流皆為IN，如果這N臺風(fēng)機(jī)負(fù)載同時(shí)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(fēng)機(jī)啟動方面采取一定的措施。由于單臺風(fēng)機(jī)的啟動沖擊電流對電源影響較小，故可以采取適當(dāng)?shù)难訒r(shí)措施使多臺風(fēng)機(jī)依次啟動，使風(fēng)機(jī)在啟動時(shí)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(gè)電源接4個(gè)保護(hù)控制系統(tǒng)、拖動8臺風(fēng)機(jī)的供電系統(tǒng)為例，分析當(dāng)電源1發(fā)生故障、8臺風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)，與其互補(bǔ)的4個(gè)從機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)控制的8臺風(fēng)機(jī)立即啟動運(yùn)行、維持井下供風(fēng)時(shí)的控制策略。

假定每臺風(fēng)機(jī)的額定電流皆為IN，設(shè)風(fēng)機(jī)電流與時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)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(fēng)機(jī)電流與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，fi（t）與一般的交流電動機(jī)的電流與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)大致相同；ti表示為第i臺風(fēng)機(jī)的啟動時(shí)刻。

電源系統(tǒng)一般都設(shè)有保護(hù)裝置，發(fā)生短路故障時(shí)自動跳閘。而風(fēng)機(jī)即感應(yīng)電動機(jī)的短路保護(hù)定值一般設(shè)置在其額定電流的8倍以上。所以，在設(shè)置電源系統(tǒng)的短路保護(hù)定值時(shí)，一般將其短路保護(hù)門限電流設(shè)置在當(dāng)8臺風(fēng)機(jī)都處于額定電流工作情況下，加上1臺風(fēng)機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生的總電流。

所以，電源系統(tǒng)的短路保護(hù)電流門限值設(shè)置為（7+8×1）IN=15IN。

雙電源雙風(fēng)機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)啟動控制策略的目標(biāo)是調(diào)整各風(fēng)機(jī)的啟動時(shí)間t1～t8，使其在任何時(shí)刻滿足條件：

Isum＜15IN （3）

因風(fēng)機(jī)的啟動過程一般比較短暫，而上述目標(biāo)函數(shù)涉及到8個(gè)可變量，求解比較困難，故可將條件簡化，即假設(shè)在第i（i＞2）臺風(fēng)機(jī)接收到啟動命令時(shí)，第i-1臺風(fēng)機(jī)還處于啟動過程中，風(fēng)機(jī)電流f t-1（t）》IN，而第i-2臺以及更早啟動的風(fēng)機(jī)則可以默認(rèn)已處于啟動完成狀態(tài)，風(fēng)機(jī)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)?/p>

因?yàn)閒i（0）等于風(fēng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，所以式（4）還可進(jìn)一步簡化為

由于每個(gè)條件只與其中的2個(gè)時(shí)間參數(shù)有關(guān)，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(shí)現(xiàn)

雙電源雙風(fēng)機(jī)智能保護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟動控制策略的措施：事先測定時(shí)間t1-tn并設(shè)定首臺風(fēng)機(jī)，首臺風(fēng)機(jī)接收到啟動信號后立即啟動；當(dāng)任意第i臺風(fēng)機(jī)啟動的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過時(shí)間ti+1-ti之后，通過CAN總線發(fā)送允許第i+1臺風(fēng)機(jī)啟動的啟動信號，則第i+1臺風(fēng)機(jī)接收到該信號后立即啟動。

本系統(tǒng)利用時(shí)間判據(jù)控制風(fēng)機(jī)啟動，取代一般情況下利用電流判據(jù)控制風(fēng)機(jī)啟動的方法，是出于對井下供風(fēng)持續(xù)性的要求。如果用電流判據(jù)控制風(fēng)機(jī)的啟動，由于啟動電流很大，此時(shí)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?yàn)殡娏鬟^大而處于最大值。這些原因?qū)⑹箚纹瑱C(jī)內(nèi)部經(jīng)算法計(jì)算出來的電流結(jié)果與實(shí)際電流結(jié)果產(chǎn)生誤差。而該誤差將導(dǎo)致采用電流判據(jù)判別啟動條件的過程較采用時(shí)間判據(jù)判別的過程所用時(shí)間長，從而使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性下降。

4 、結(jié) 語

本文介紹了一種雙電源雙風(fēng)機(jī)智能保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用的互補(bǔ)控制策略和啟動控制策略，夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的及時(shí)切換，能保證供風(fēng)系統(tǒng)不間斷地運(yùn)行，同時(shí)能夠減小由于多臺風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動對電源造成的沖擊。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試與試驗(yàn)，該系統(tǒng)取得了良好的使用效果，保證了井下供風(fēng)的持續(xù)性，使井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全系數(shù)大大增加。該智能保護(hù)控制系統(tǒng)的下一步改進(jìn)方向是基于環(huán)境變化（如風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓龋弥悄芸刂萍夹g(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，使系統(tǒng)更加適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的要求，進(jìn)一步提高安全系數(shù)。

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