煤矿地面主通风智能保护器设计

王 磊

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿，山西 古交 030200）

山西焦煤集团东曲煤矿主通风系统的保护器存在智能化水平低、实时性差等诸多问题，主通风系统出现故障后，保护器动作不及时极易造成风机损坏，瓦斯、粉尘以及有毒有害气体积聚，严重威胁工人身体健康和生命安全。因此，设计煤矿主通风智能保护器，实现煤矿安全、稳定、健康生产。

1 功能设计

煤矿地面主通风智能保护器功能设计结构如图1，由主通风机综合保护系统、主通风机智能调速系统两部分组成。主通风综合保护系统用于实现主通风系统的漏电闭锁保护、电压保护以及电流保护。当主通风机运行状态出现故障时，触发智能保护器立即动作，防止发生安全事故。主通风机智能调速系统用于实现主通风电机转速的动态调节，由风机工作方式、风量调节方法、风机调速方式、风机变频调速策略4 部分组成。主通风机采用压入式通风工作方式，根据巷道内瓦斯浓度、粉尘浓度、风速等环境参数实现主通风机电机的模糊变频调速[1-2]，使得主通风系统运行稳定、高效、节能。

图1 煤矿地面主通风智能保护器功能设计结构

2 硬件设计

硬件设计包括稳压电路设计、漏电闭锁电路设计、电压信号采集电路、通信电路设计以及时钟、复位、JTAG 电路设计等。

煤矿地面主通风智能保护器供电电源电压为36 V，经整流降压后输出DC12 V，然后逐级降压至5 V、3.3 V 以及1.8 V，其中DSP 芯片需3.3 V、1.8 V 电压，显示屏、蜂鸣器5 V 电压[3-4]。5 V 转3.3 V 电压转换电路原理示意如图2 所示。LMS1117 为电压转换芯片，具有转换效率高、电压输出范围大、稳定性好的特点。

图2 5 V 转3.3 V 稳压电路原理示意

漏电闭锁电路原理示意如图3 所示，用于对供电系统电缆进行绝缘检测，当绝缘水平达到1.5 倍动作电阻值后才可投入主通风机运行。图3 中的电阻R74、供电电缆以及大地形成通路，电流流经绝缘电阻后形成压降，可通过压降的大小判断绝缘电阻阻值。D3、D4 二极管组成钳位电路，防止该通路的电压过大。LM324 为运算放大器，与电阻R58、电容C67 组成滤波电路，对进入DSP 控制器的采样电压进行滤波。

图3 漏电闭锁电路原理示意

电压信号采集电路原理示意如图4 所示。ZMPT101 为电压互感器，可采集250 V 以内的交流电压信号，变比为1:1 且不改变电流值。电阻R6、R7 为限流电阻，用于将ZMPT101 采集到的电压限制在一定范围内。电阻R8 为二次侧电流采样电阻，电流经该电阻后变成交流电压。电阻R10、R14 为偏置电阻，可将电压稳定偏置于0～3 V 内。LM324以及电阻R42、电容C56 组成滤波电路，将采集到的电压信号滤波后输送至DSP 芯片。

图4 电压信号采集电路原理示意

3 软件设计

煤矿地面主通风智能保护器软件设计基于TI 公司推出的CCS（Code Composer Studio）集成开发环境实现，包括代码的编写、编译、链接、调试等，同时可利用CCS 集成的分析工具和GEL 工具模拟智能保护器的硬件功能和参数配置。根据煤矿地面主通风智能保护器功能设计结构，将软件系统分为主程序模块、A/D采样程序模块、风机保护程序模块、变频调速程序模块、通信程序模块、故障处理程序模块等。

1）主程序模块。完成主通风智能保护器系统初始化、GPIO 初始化、外设初始化以及寄存器配置、中断配置等功能，具体包括初始化时钟、看门狗、外设时钟、I/O 口配置、ADC、SCI 以及定时器等。主程序模块以while（1）模式循环扫描，由中断触发并进入其他程序模块，执行完中断程序后返回至原处继续执行主程序。

2）A/D 采样程序模块。完成主通风智能保护器模拟量采集，包括绝缘电阻值、漏电检测、风速仪数据、瓦斯浓度、粉尘浓度、温湿度、CO 数值、CO2数值等。ADC 采样频率为6 kHz，一次采样用时0.02 s。A/D 采样程序详细流程如图5。

图5 A/D 采样程序模块流程

3）风机保护程序模块。完成主通风智能保护器的风机保护功能，对漏电闭锁故障、风速仪数据异常故障、瓦斯浓度异常故障以及其他传感器数据故障进行分析和判断，即对采样值数据与给定值数据进行比较，根据保护判据对风机进行实时保护。判断风机存在故障后进入故障处理模块，判断风机无故障后返回主程序。风机保护程序详细流程如图6。

图6 风机保护程序模块流程

4）变频调速程序模块。完成主通风电机的变频调速功能，根据巷道内瓦斯浓度、粉尘浓度、风速以及CO、CO2、温湿度等环境参数，动态调节主通风电机转速[5-6]，在保障巷道环境安全的前提下，达到节能降耗的目的。

5）通信程序模块。完成主通风智能保护器与变频器的CAN 总线通信，包括通信连接的建立、维护等。

6）故障处理程序模块。完成主通风机智能保护器的故障分级与处理。

4 试验与应用

4.1 试验验证

在实验室搭建煤矿地面主通风智能保护器试验平台，该试验平台由笔记本电脑、主通风智能保护器样机、变频器、三相交流异步变频电动机、示波器组成。主通风智能保护器样机与变频器通过CAN总线进行通信。试验平台输入信号为0～3 V 电压信号，通过电位器阻值模拟输入信号值，采用人为增加漏电电阻验证主通风智能保护器的漏电闭锁功能，测试不同电压等级、不同电流过载倍数时主通风智能保护器能否完成合闸、跳闸、漏电闭锁及显示功能。

采用附加直流电源检测法测试主通风智能保护器供电线路的绝缘水平，绝缘电阻阻值与输入电压之间的关系可表示为式（1）：

式中：Uc为绝缘电阻输入电压；Rx为供电电缆对地绝缘电阻。表1 为不同电压等级下对应的动作电阻值以及参考电压值测试数据。

表1 漏电闭锁测试数据

煤矿地面主通风智能保护器供电线路漏电闭锁检测完毕后即可合闸，主通风机开始运行。通过调节模拟电压值来模拟过压、欠压、过载、堵转等故障，试验测试数据见表2。通过测试发现，设计并实现的主通风智能保护器能够可靠、稳定工作，满足设计要求。

表2 主通风机保护试验测试数据

4.2 应用效果

将设计并实现的煤矿地面主通风保护器应用于山西焦煤集团东曲煤矿主通风系统，经6 个月工业试验发现：1）保护动作实时性强，主通风系统故障时能够及时触发故障报警，灵敏性好，准确度高，触发故障报警实际动作时间的误差率≤0.05%。

2）综合保护能力强，实现了主通风系统过压、欠压、过载等综合保护。表3 所示为主通风保护器工业试验时，主通风机发生过压、欠压、断相、三相不平衡时的实际动作时间。现场采集的数据表明，该煤矿地面主通风保护器实时性强，保护动作迅速。

表3 主通风机保护器工业试验实际数据

5 结 语

1）完成了煤矿地面主通风智能保护器的功能设计、硬件设计以及软件设计，完成试验验证分析。结果表明，该主通风智能保护器满足设计要求，解决了原主通风系统存在的实时性差、保护动作迟缓等问题。

2）有效提升了煤矿地面主通风系统的智能化水平，达到了节能降耗的目的，保障了煤矿安全、高效、稳定生产。