基于单片机和CAN总线技术实现双电源双风机保护系统的设计

引 言

目前，我国煤矿通风系统中，双电源双风机是一种比较高效、安全的风机组成形式，其自动切换装置是系统中的关键设备，直接关系到整个系统能否安全运转。因此，双电源双风机自动切换装置保护、控制方式的有效性与可靠性对其安全运行至关重要。

目前，已运行的双电源双风机大都采用继电器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在现场事故发生时无法自动采取紧急措施，严重影响了设备的安全运行。因此，本文提出了一种新型的基于单片机的双电源双风机智能保护控制系统的设计。该系统运用CAN总线技术，结合自适应互补控制策略，可以方便地检测双电源双风机的各项运行参数；当风机出现故障或工作不正常时，能够实时准确地采取相应的故障处理措施，并发出警告信息；能准确可靠地实现主、备风机的自动切换，当一台风机出现故障停机后，另一台风机自动启动，保证井下供风不间断；多台风机依次启动，可避免多台设备同时启动时产生过大启动电流而损坏设备。

1、 双电源双风机保护控制系统的组成

双电源双风机保护控制系统结构如图1所示。

图1 双电源双风机保护控制系统结构图

该系统包括主机和从机2个保护控制系统，控制核心采用双CPU结构，下设通信、LCD显示、人机接口、控制与保护4个功能模块。其中，8位AVR单片机作为上位机，负责实现LCD显示、人机交互、CAN总线通信等功能；16位DSPIC单片机作为下位机，负责实时采集处理数据，执行保护算法，对风机进行保护与控制。这种结构可以提高系统的实时性，使CPU分工明确，提高效率。

来自电网的双电源分别对主机保护控制系统与从机保护控制系统单独供电。主机与从机互补，保证供风系统不问断运行。同时，主机保护控制系统与从机保护控制系统分别控制2台风机的运行。

由于主机保护控制系统与从机保护控制系统是2个相互独立又相互互补的系统，这就要求主机控制系统与从机控制系统不仅要清楚本系统所处的状态，同时还要明白互补系统所处的状态。所以主机控制系统与从机控制系统之间需要以某种方式进行通信。

因为双电源双风机保护控制系统必须严格保证井下的持续供风，所以从机在主机停机时必须立即投入运行。CAN总线作为一种软件通信方式，会由于井下工作环境的复杂多变或软件协议本身延迟等原因无法使互补系统在第一时间接收到表示对方工作状态的帧。从供风系统的可靠性和连续性方面考虑，这是不允许的。所以，本系统采用了基于硬件的互补系统通信方式。

该通信方式是在主机和从机各设置1个辅助继电器作为“握手信号”，其连接方式如图2所示。

图2 主机、从机握手信号连接方式图

Z-JZ-1与Z-JZ-2为主机辅助继电器的1个常闭接点，F-ZJ-1与F-ZJ-2为从机辅助继电器的1个常闭接点，Zflag与Fflag为系统状态检测信号。主机/从机辅助继电器随着主机/从机开关断路器的分合闸而分合闸，以通知对方目前所处的状态。系统默认检测信号为高电平表示主机/从机处于合闸运行状态，低电平表示主机/从机处于分闸状态。

该通信方式的特点在于通信简单可靠，风机控制系统可以在较短时间内有效地检测到互补系统的状态，从而决定本系统的控制策略。

2 、系统互补控制策略

双电源双风机保护控制系统的工作环境要求其工作必须可靠，严格保证井下供风的持续性。这就要求无论是在所有风机均处于正常状态或是在某些风机处于故障状态的情况下，控制系统必须和它的互补系统一起决定最佳的通风控制策略。

表1为双电源双风机保护控制系统在不同状态下的互补控制策略表，其最大限度地利用了未发生故障的风机资源，保证了井下通风的持续性。表中，主机故障或从机故障包括主机或从机任何一台风机发生故障以及主机或从机断电的情况；主机或从机单路故障均假定为主1或从1发生了故障。

表1 双电源双风机保护控制系统互补控制策略表

2.1 主机保护控制系统程序流程

一般说来，主机保护控制系统作为井下通风的常用系统，接收外部输入的系统启动命令，控制整个互补系统投人运行。其通过控制Zflag信号变化和检测Fflag信号保证控制策略的实现。图3为主机保护控制系统程序流程图。

图3 主机保护控制系统程序流程图

主机保护控制系统辅助继电器随主断路器的分合闸而分合闸，由一个常闭接点控制Zflag信号变化。Zflag信号从低电平转换为高电平表示主机启动，从高电平转化为低电平表示主机停止。

当主机合闸运行时，保护控制系统的各种保护算法启动，对运行中的风机进行各种故障的保护。一旦检测到风机在运行中发生故障，先断开主断路器，切断风机电源，发出故障报警，上传故障信息；同时，断开辅助继电器，转入分闸待机状态。

当主机处于分闸待机时，保护控制系统实时检测Fflag信号状态。如果Fflag信号一定时间内处于低电平或从高电平转换为低电平，则主机保护控制系统先进行自检。若系统控制的风机没有发生故障或没有全部发生故障，主机保护控制系统立刻启动未发生故障的风机，转入合闸运行状态。

2.2 从机保护控制系统程序流程

从机保护控制系统一般作为井下通风的备用系统，接收外部的启动信号，不只有在主机保护控制系统控制的风机发生故障的情况下，才作为备用系统投入运行。

从机保护控制系统辅助继电器随其主断路器的分合闸而分合闸，由一个常闭接点控制Fflag信号变化，Fflag信号从低电平转换为高电平表示从机启动，从高电平转换为低电平表示从机停止。从机保护控制系统程序流程与主机类似，不再赘述。

3、 系统启动控制策略

3.1 系统启动时的冲击电流分析

基于上述分析，一个双电源双风机保护控制系统可控制2台风机，这2台风机共用1个电源。而在实际现场，通风通道可能不止1个，需要多个保护控制系统控制2台以上的风机进行通风。这些主机保护控制系统可能共用的是一个电源，而其互补从机保护控制系统则共用另一个电源，这就出现了在1个电源上挂接多台风机的情况。风机属于感应电动机，其启动电流冲击较大，等于风机的堵转电流，大约为其额定电流的5～7倍。假设在1个电源上接了N台风机负载，每台风机的额定电流皆为IN，如果这N台风机负载同时启动，将对电源产生N×（5～7）IN的冲击电流，容易造成电源系统低电压。

为了防止上述情况的发生，必须在风机启动方面采取一定的措施。由于单台风机的启动冲击电流对电源影响较小，故可以采取适当的延时措施使多台风机依次启动，使风机在启动时对电源的电流冲击保持在较低的水平。

3.2 系统启动控制策略分析

现以1个电源接4个保护控制系统、拖动8台风机的供电系统为例，分析当电源1发生故障、8台风机停机时，与其互补的4个从机保护控制系统控制的8台风机立即启动运行、维持井下供风时的控制策略。

假定每台风机的额定电流皆为IN，设风机电流与时间之间的函数关系如下：

I＝f（t）E（t）（1）

式中：E（t）为阶越函数。

在电源线路上的总电流Isum为

式中：fi（t）表示第i台风机电流与时间的关系函数，fi（t）与一般的交流电动机的电流与时间的关系函数大致相同；ti表示为第i台风机的启动时刻。

电源系统一般都设有保护装置，发生短路故障时自动跳闸。而风机即感应电动机的短路保护定值一般设置在其额定电流的8倍以上。所以，在设置电源系统的短路保护定值时，一般将其短路保护门限电流设置在当8台风机都处于额定电流工作情况下，加上1台风机发生短路故障时产生的总电流。

所以，电源系统的短路保护电流门限值设置为（7+8×1）IN=15IN。

双电源双风机保护控制系统启动控制策略的目标是调整各风机的启动时间t1～t8，使其在任何时刻满足条件：

Isum＜15IN （3）

因风机的启动过程一般比较短暂，而上述目标函数涉及到8个可变量，求解比较困难，故可将条件简化，即假设在第i（i＞2）台风机接收到启动命令时，第i-1台风机还处于启动过程中，风机电流f t-1（t）》IN，而第i-2台以及更早启动的风机则可以默认已处于启动完成状态，风机电流可以直接用IN代替。因此，可以将系统启动控制策略的条件改变为

因为fi（0）等于风机的堵转电流，所以式（4）还可进一步简化为

由于每个条件只与其中的2个时间参数有关，这样就使得系统的控制策略大大地得到了简化。

3.3 系统启动控制策略的具体实现

双电源双风机智能保护控制系统实现启动控制策略的措施：事先测定时间t1-tn并设定首台风机，首台风机接收到启动信号后立即启动；当任意第i台风机启动的同时，系统内部时钟开始计时，经过时间ti+1-ti之后，通过CAN总线发送允许第i+1台风机启动的启动信号，则第i+1台风机接收到该信号后立即启动。

本系统利用时间判据控制风机启动，取代一般情况下利用电流判据控制风机启动的方法，是出于对井下供风持续性的要求。如果用电流判据控制风机的启动，由于启动电流很大，此时用于检测电流的互感器可能处于非最佳的线性检测区，A/D转换芯片也可能因为电流过大而处于最大值。这些原因将使单片机内部经算法计算出来的电流结果与实际电流结果产生误差。而该误差将导致采用电流判据判别启动条件的过程较采用时间判据判别的过程所用时间长，从而使系统的实时性下降。

4 、结 语

本文介绍了一种双电源双风机智能保护控制系统的设计。该系统采用的互补控制策略和启动控制策略，够实现主机和从机的及时切换，能保证供风系统不间断地运行，同时能够减小由于多台风机同时启动对电源造成的冲击。经过现场调试与试验，该系统取得了良好的使用效果，保证了井下供风的持续性，使井下通风系统的安全系数大大增加。该智能保护控制系统的下一步改进方向是基于环境变化（如风量、瓦斯浓度的变化等），利用智能控制技术实时调整控制策略，使系统更加适应生产环境的要求，进一步提高安全系数。

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