雙電源雙風(fēng)機(jī)智能保護(hù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。