0 引言

　　目前，我國煤礦通風(fēng)系統(tǒng)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，其自動切換裝置是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)能否安全運轉(zhuǎn)。因此，雙電源雙風(fēng)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(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(xiàn)場事故發(fā)生時無法自動采取緊急措施，嚴(yán)重影響了設(shè)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(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)運用CAN總線技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)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(shù)；當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)故障或工作不正常時，能夠?qū)崟r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)確可靠地實現(xiàn)主、備風(fēng)機的自動切換，當(dāng)一臺風(fēng)機出現(xiàn)故障停機后，另一臺風(fēng)機自動啟動，保證井下供風(fēng)不間斷；多臺風(fēng)機依次啟動，可避免多臺設(shè)備同時啟動時產(chǎn)生過大啟動電流而損壞設(shè)備。

1 雙電源雙風(fēng)機保護控制系統(tǒng)的組成

　　雙電源雙風(fēng)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(shè)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)實時采集處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行保護算法，對風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機保護控制系統(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(fù)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(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系統(tǒng)通信方式。

　　該通信方式是在主機和從機各設(shè)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(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/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(fēng)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(fēng)機保護控制系統(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(tǒng)必須和它的互補系統(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(fēng)機資源，保證了井下通風(fēng)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(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(tǒng)程序流程

　　一般說來，主機保護控制系統(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(dāng)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(fēng)機進行各種故障的保護。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，斷開輔助繼電器，轉(zhuǎn)入分閘待機狀態(tài)。

　　當(dāng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機保護控制系統(tǒng)可控制2臺風(fēng)機，這2臺風(fēng)機共用1個電源。而在實際現(xiàn)場，通風(fēng)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(fēng)機進行通風(fēng)。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(fēng)機的情況。風(fēng)機屬于感應(yīng)電動機，其啟動電流沖擊較大，等于風(fēng)機的堵轉(zhuǎn)電流，大約為其額定電流的5～7倍。假設(shè)在1個電源上接了N臺風(fēng)機負(fù)載，每臺風(fēng)機的額定電流皆為IN，如果這N臺風(fēng)機負(fù)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(fēng)機啟動方面采取一定的措施。由于單臺風(fēng)機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措施使多臺風(fēng)機依次啟動，使風(fēng)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(fēng)機的供電系統(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(fēng)機立即啟動運行、維持井下供風(fēng)時的控制策略。

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

　　電源系統(tǒng)一般都設(shè)有保護裝置，發(fā)生短路故障時自動跳閘。而風(fēng)機即感應(yīng)電動機的短路保護定值一般設(shè)置在其額定電流的8倍以上。所以，在設(shè)置電源系統(tǒng)的短路保護定值時，一般將其短路保護門限電流設(shè)置在當(dāng)8臺風(fēng)機都處于額定電流工作情況下，加上1臺風(fēng)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(shè)置為（7+8×1）IN=15IN。

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

　　Isum＜15IN （3）

　　因風(fēng)機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)機接收到啟動命令時，第i-1臺風(fēng)機還處于啟動過程中，風(fēng)機電流f t-1（t）》IN，而第i-2臺以及更早啟動的風(fēng)機則可以默認(rèn)已處于啟動完成狀態(tài)，風(fēng)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)?/p>

　　因為fi（0）等于風(fēng)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(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現(xiàn)

　　雙電源雙風(fēng)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(shè)定首臺風(fēng)機，首臺風(fēng)機接收到啟動信號后立即啟動；當(dāng)任意第i臺風(fēng)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(fēng)機啟動的啟動信號，則第i+1臺風(fēng)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(fēng)機啟動，取代一般情況下利用電流判據(jù)控制風(fēng)機啟動的方法，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(dǎo)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(fēng)機智能保護控制系統(tǒng)的設(shè)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(fēng)系統(tǒng)不間斷地運行，同時能夠減小由于多臺風(fēng)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(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。該智能保護控制系統(tǒng)的下一步改進方向是基于環(huán)境變化（如風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓龋弥悄芸刂萍夹g(shù)實時調(diào)整控制策略，使系統(tǒng)更加適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的要求，進一步提高安全系數(shù)。