雙電源雙風(fēng)機智能保護控制系統的設計

　　目前，我國煤礦通風(fēng)系統中，雙電源雙風(fēng)機是一種比較高效、安全的風(fēng)機組成形式，其自動(dòng)切換裝置是系統中的關(guān)鍵設備，直接關(guān)系到整個(gè)系統能否安全運轉。因此，雙電源雙風(fēng)機自動(dòng)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(guān)重要。

　　目前，已運行的雙電源雙風(fēng)機大都采用繼電器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在現場(chǎng)事故發(fā)生時(shí)無(wú)法自動(dòng)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(fēng)機智能保護控制系統的設計。該系統運用CAN總線(xiàn)技術(shù)，結合自適應互補控制策略，可以方便地檢測雙電源雙風(fēng)機的各項運行參數；當風(fēng)機出現故障或工作不正常時(shí)，能夠實(shí)時(shí)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(shí)現主、備風(fēng)機的自動(dòng)切換，當一臺風(fēng)機出現故障停機后，另一臺風(fēng)機自動(dòng)啟動(dòng)，保證井下供風(fēng)不間斷；多臺風(fēng)機依次啟動(dòng)，可避免多臺設備同時(shí)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大啟動(dòng)電流而損壞設備。

1 雙電源雙風(fēng)機保護控制系統的組成

　　雙電源雙風(fēng)機保護控制系統結構如圖1所示。

　　該系統包括主機和從機2個(gè)保護控制系統，控制核心采用雙CPU結構，下設通信、LCD顯示、人機接口、控制與保護4個(gè)功能模塊。其中，8位 AVR單片機作為上位機，負責實(shí)現LCD顯示、人機交互、CAN總線(xiàn)通信等功能；16位DSPIC單片機作為下位機，負責實(shí)時(shí)采集處理數據，執行保護算法，對風(fēng)機進(jìn)行保護與控制。這種結構可以提高系統的實(shí)時(shí)性，使CPU分工明確，提高效率。

　　來(lái)自電網(wǎng)的雙電源分別對主機保護控制系統與從機保護控制系統單獨供電。主機與從機互補，保證供風(fēng)系統不問(wèn)斷運行。同時(shí)，主機保護控制系統與從機保護控制系統分別控制2臺風(fēng)機的運行。

　　由于主機保護控制系統與從機保護控制系統是2個(gè)相互獨立又相互互補的系統，這就要求主機控制系統與從機控制系統不僅要清楚本系統所處的狀態(tài)，同時(shí)還要明白互補系統所處的狀態(tài)。所以主機控制系統與從機控制系統之間需要以某種方式進(jìn)行通信。

　　因為雙電源雙風(fēng)機保護控制系統必須嚴格保證井下的持續供風(fēng)，所以從機在主機停機時(shí)必須立即投入運行。CAN總線(xiàn)作為一種軟件通信方式，會(huì )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(wú)法使互補系統在第一時(shí)間接收到表示對方工作狀態(tài)的幀。從供風(fēng)系統的可靠性和連續性方面考慮，這是不允許的。所以，本系統采用了基于硬件的互補系統通信方式。

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

　　Z-JZ-1與Z-JZ-2為主機輔助繼電器的1個(gè)常閉接點(diǎn)，F-ZJ-1與F-ZJ-2為從機輔助繼電器的1個(gè)常閉接點(diǎn)，Zflag與 Fflag為系統狀態(tài)檢測信號。主機/從機輔助繼電器隨著(zhù)主機/從機開(kāi)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(diǎn)在于通信簡(jiǎn)單可靠，風(fēng)機控制系統可以在較短時(shí)間內有效地檢測到互補系統的狀態(tài)，從而決定本系統的控制策略。

2 系統互補控制策略

　　雙電源雙風(fēng)機保護控制系統的工作環(huán)境要求其工作必須可靠，嚴格保證井下供風(fēng)的持續性。這就要求無(wú)論是在所有風(fēng)機均處于正常狀態(tài)或是在某些風(fēng)機處于故障狀態(tài)的情況下，控制系統必須和它的互補系統一起決定最佳的通風(fēng)控制策略。

　　表1為雙電源雙風(fēng)機保護控制系統在不同狀態(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(fēng)機資源，保證了井下通風(fēng)的持續性。表中，主機故障或從機故障包括主機或從機任何一臺風(fēng)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 主機保護控制系統程序流程

　　一般說(shuō)來(lái)，主機保護控制系統作為井下通風(fēng)的常用系統，接收外部輸入的系統啟動(dòng)命令，控制整個(gè)互補系統投人運行。其通過(guò)控制Zflag信號變化和檢測Fflag信號保證控制策略的實(shí)現。圖3為主機保護控制系統程序流程圖。

　　主機保護控制系統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信號從低電平轉換為高電平表示主機啟動(dòng)，從高電平轉化為低電平表示主機停止。

　　當主機合閘運行時(shí)，保護控制系統的各種保護算法啟動(dòng)，對運行中的風(fēng)機進(jìn)行各種故障的保護。一旦檢測到風(fēng)機在運行中發(fā)生故障，先斷開(kāi)主斷路器，切斷風(fēng)機電源，發(fā)出故障報警，上傳故障信息；同時(shí)，斷開(kāi)輔助繼電器，轉入分閘待機狀態(tài)。

　　當主機處于分閘待機時(shí)，保護控制系統實(shí)時(shí)檢測Fflag信號狀態(tài)。如果Fflag信號一定時(shí)間內處于低電平或從高電平轉換為低電平，則主機保護控制系統先進(jìn)行自檢。若系統控制的風(fēng)機沒(méi)有發(fā)生故障或沒(méi)有全部發(fā)生故障，主機保護控制系統立刻啟動(dòng)未發(fā)生故障的風(fēng)機，轉入合閘運行狀態(tài)。

　　2.2 從機保護控制系統程序流程

　　從機保護控制系統一般作為井下通風(fēng)的備用系統，接收外部的啟動(dòng)信號，不只有在主機保護控制系統控制的風(fēng)機發(fā)生故障的情況下，才作為備用系統投入運行。

　　從機保護控制系統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，Fflag信號從低電平轉換為高電平表示從機啟動(dòng)，從高電平轉換為低電平表示從機停止。從機保護控制系統程序流程與主機類(lèi)似，不再贅述。

3 系統啟動(dòng)控制策略

　　3.1 系統啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流分析

　　基于上述分析，一個(gè)雙電源雙風(fēng)機保護控制系統可控制2臺風(fēng)機，這2臺風(fēng)機共用1個(gè)電源。而在實(shí)際現場(chǎng)，通風(fēng)通道可能不止1個(gè)，需要多個(gè)保護控制系統控制2臺以上的風(fēng)機進(jìn)行通風(fēng)。這些主機保護控制系統可能共用的是一個(gè)電源，而其互補從機保護控制系統則共用另一個(gè)電源，這就出現了在1個(gè)電源上掛接多臺風(fēng)機的情況。風(fēng)機屬于感應電動(dòng)機，其啟動(dòng)電流沖擊較大，等于風(fēng)機的堵轉電流，大約為其額定電流的5～7倍。假設在1個(gè)電源上接了N臺風(fēng)機負載，每臺風(fēng)機的額定電流皆為IN，如果這N臺風(fēng)機負載同時(shí)啟動(dòng)，將對電源產(chǎn)生N×（5～7）IN的沖擊電流，容易造成電源系統低電壓。

　　為了防止上述情況的發(fā)生，必須在風(fēng)機啟動(dòng)方面采取一定的措施。由于單臺風(fēng)機的啟動(dòng)沖擊電流對電源影響較小，故可以采取適當的延時(shí)措施使多臺風(fēng)機依次啟動(dòng)，使風(fēng)機在啟動(dòng)時(shí)對電源的電流沖擊保持在較低的水平。

　　3.2 系統啟動(dòng)控制策略分析

　　現以1個(gè)電源接4個(gè)保護控制系統、拖動(dòng)8臺風(fēng)機的供電系統為例，分析當電源1發(fā)生故障、8臺風(fēng)機停機時(shí)，與其互補的4個(gè)從機保護控制系統控制的8臺風(fēng)機立即啟動(dòng)運行、維持井下供風(fēng)時(shí)的控制策略。