煤矿地面主通风智能保护器设计.pdf

1642023 年第 8 期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）摘 要 针对煤矿地面主通风系统存在的智能化水平低、实时性差等问题，基于 TMS320F28335 芯片设计煤矿地面主通风智能保护器，分析了主通风智能保护器的功能设计以及软硬件方案设计，并完成试验验证。结果表明：所设计的煤矿地面主通风智能保护器提升了主通风系统的智能化水平，提高了保护动作的实时性，有助于增强煤矿安全生产系数。关键词 主通风系统；智能保护器；TMS320F28335；变频调速；传感器中图分类号 TD724 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.053Design of Intelligent Protector for Coal Mine Ground Main VentilationWang Lei(Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Dongqu Coal Mine,Shanxi Gujiao 030200)Abstract:In view of the problems of low intelligence level and poor real-time performance existing in the coal mine ground main ventilation system,an intelligent protector for coal mine ground main ventilation is designed based on TMS320F28335 chip.The functional design and software and hardware scheme design of the intelligent protector for main ventilation are analyzed,and experimental verification is completed.The results show that the designed intelligent protector for coal mine ground main ventilation improves the intelligence level of the main ventilation system,improves the real-time performance of protection actions,and helps to enhance the safety production coefficient of coal mines.Key words:main ventilation system;intelligent protector;TMS320F28335;frequency control;sensor收稿日期 2023-01-29作者简介 王磊（1990），男，山西运城人，2013 年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，本科，工程师，现在山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿从事机电管理工作。王 磊：煤矿地面主通风智能保护器设计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。1652023 年第 8 期王 磊：煤矿地面主通风智能保护器设计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 03 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。4）变频调速程序模块。完成主通风电机的变1662023 年第 8 期频调速功能，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。图 6 风机保护程序模块流程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 03 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）：xcx1.113200.458 513.12RUR+=+（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 漏电闭锁测试数据电压等级/V动作电阻值/k参考值/V38071.71660241.951140422.07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保护类型保护方法设定动作时间/s实际动作时间/s过压速断00欠压速断00.21堵转定时限6.06.2三相短路速断00.2断相定时限4.04.3三相不平衡定时限6.06.1相间短路定时限2.02.1单相接地定时限1.51.6相间接地定时限1.51.64.2 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保护类型保护方法实际动作时间/s过压速断0欠压速断0.22断相定时限4.40三相不平衡定时限6.20（下转第 174 页）1742023 年第 8 期3）煤柱均缩小到 10 m 时，FD105 也未发生塑性破坏，DF53 有零星接触。DF53 断层煤柱留设 5 m 时，发生大面积贯通。综合可得：DF53 及FD105 断层煤柱宽度分别约为 10 m、5 m 时能实现工作面安全开采。【参考文献】1 李全生，李晓斌，许家林，等.岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展 J.煤炭科学技术，2022，50（01）：28-47.2）工作面推进过程中，围岩支承压力峰值整体呈现“先增大、后减小”的演化趋势。B42 煤推采结束后围岩支承压力峰值最大值为 19.5 MPa，而在 B2 煤和 B1 煤推采结束后，在上层煤采空区两侧覆岩载荷叠加影响下，围岩支承压力“突增”达到最大，分别为 12.73 MPa 和 12.53 MPa。3）工作面推进过程中，沿工作面走向，围岩垂直位移峰值不断增加，围岩垂直位移峰值位置逐渐向采空区中心“迁移”。受重复采动影响，顶板下沉量不断增加，B42煤、B2煤、B1煤开采结束后，顶板下沉量峰值分别为-2.11 m、-9.96 m、-11.79 m，顶板下沉量峰值增幅分别为 350.1%、18.37%。4）B1 煤推进过程中，顶板垮落带高度为 19.46 m，当 B2 煤和 B1 煤分别推进 160 m 和 260 m 时，顶板塑性区向上扩展并与上层煤底板塑性区贯通，说明围岩所受“重复采动”作用最大。B2 煤和 B1煤推采结束后，顶板垮落带高度分别为 57.65 m 和26.8 m。【参考文献】1 杨伟，刘长友，黄炳香，等.近距离煤层联合开采条件下工作面合理错距确定 J.采矿与安全工程学报，2012，29（01）：101-105.2 谢广祥，唐永志，王磊.高瓦斯煤层群“时间-空间-强度”协调开采技术 J.煤炭科学技术，2014，42（11）：1-4.3 杨科，孔祥勇，陆伟，等.近距离采空区下大倾角厚煤层开采矿压显现规律研究 J.岩石力学与工程学报，2015，34（S2）：4278-4285.4 汪锋，许家林，谢建林，等.上覆煤层开采后下伏煤层卸压机理分析 J.采矿与安全工程学报，2016，33（03）：398-402.5 朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳 机 理 研 究 J.煤 炭 学 报，2011，36（06）：1065-1066.（上接第 166 页）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。【参考文献】1 张庆华，姚亚虎，赵吉玉.我国矿井通风技术现状及智能化发展展望 J.煤炭科学技术，2020，48（02）：97-103.2 邹云龙，徐雪战.超声波传感技术的矿用多通道智能风速风向仪 J.传感器与微系统，2017，36（06）：108-111.3 郝海鹏.基于 PLC 的通风机随瓦斯浓度自动调速系统研究 J.江西煤炭科技，2015（03）：81-83.4 常新明，陈国栋，李相，等.矿井局部通风机变频控制系统的设计研究 J.能源与环保，2021，43（05）：227-232.5 李作泉，张应芳，马瑞峰，等.矿井通风智能化管控系统设计 J.煤矿安全，2022，53（09）：226-232.6 程晓之，王凯，郝海清，等.矿井局部通风智能调控系统及关键技术研究 J.工矿自动化，2021，47（09）：18-24.（上接第 169 页）2 吴俊达，李腾辉，武守鑫.断裂构造复杂区探查与灾害防治技术研究 J.煤炭技术，2021，40（06）：115-118.3 张鹏，朱学军，孙文斌，等.采动诱发充填断层活化滞后突水机制研究 J.煤炭科学技术，2022，50（03）：136-143.4 刘磊磊.大型断层煤岩柱合理留设技术研究 D.合肥：安徽建筑工业学院，2012.5 孟令鲁.底板内次生断层采动活化影响作用研究D.青岛：山东科技大学，2017.