基於單片機和CAN總線技術實現雙電源雙風機保護系統的設計

基於單片機和CAN總線技術實現雙電源雙風機保護系統的設計

李澤焱，牟龍華， 發表於 2020-03-24 07:44:00

引 言

目前，我國煤礦通風系統中，雙電源雙風機是一種比較高效、安全的風機組成形式，其自動切換裝置是系統中的關鍵設備，直接關係到整個系統能否安全運轉。因此，雙電源雙風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重要。

目前，已運行的雙電源雙風機大都採用繼電器控制，功能少、可靠性差、控制精度低，尤其在現場事故發生時無法自動採取緊急措施，嚴重影響了設備的安全運行。因此，本文提出了一種新型的基於單片機的雙電源雙風機智能保護控制系統的設計。該系統運用CAN總線技術，結合自適應互補控制策略，可以方便地檢測雙電源雙風機的各項運行參數；當風機出現故障或工作不正常時，能夠實時準確地採取相應的故障處理措施，並發出警告信息；能準確可靠地實現主、備風機的自動切換，當一颱風機出現故障停機後，另一颱風機自動啟動，保證井下供風不間斷；多颱風機依次啟動，可避免多臺設備同時啟動時產生過大啟動電流而損壞設備。

1、 雙電源雙風機保護控制系統的組成

雙電源雙風機保護控制系統結構如圖1所示。

圖1 雙電源雙風機保護控制系統結構圖

該系統包括主機和從機2個保護控制系統，控制核心採用雙CPU結構，下設通信、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，負責實現LCD顯示、人機互動、CAN總線通信等功能；16位DSPIC單片機作為下位機，負責實時採集處理數據，執行保護算法，對風機進行保護與控制。這種結構可以提高系統的實時性，使CPU分工明確，提高效率。

來自電網的雙電源分別對主機保護控制系統與從機保護控制系統單獨供電。主機與從機互補，保證供風系統不問斷運行。同時，主機保護控制系統與從機保護控制系統分別控制2颱風機的運行。

由於主機保護控制系統與從機保護控制系統是2個相互獨立又相互互補的系統，這就要求主機控制系統與從機控制系統不僅要清楚本系統所處的狀態，同時還要明白互補系統所處的狀態。所以主機控制系統與從機控制系統之間需要以某種方式進行通信。

因為雙電源雙風機保護控制系統必須嚴格保證井下的持續供風，所以從機在主機停機時必須立即投入運行。CAN總線作為一種軟體通信方式，會由於井下工作環境的複雜多變或軟體協議本身延遲等原因無法使互補系統在第一時間接收到表示對方工作狀態的幀。從供風系統的可靠性和連續性方面考慮，這是不允許的。所以，本系統採用了基於硬體的互補系統通信方式。

該通信方式是在主機和從機各設置1個輔助繼電器作為「握手信號」，其連接方式如圖2所示。

圖2 主機、從機握手信號連接方式圖

Z-JZ-1與Z-JZ-2為主機輔助繼電器的1個常閉接點，F-ZJ-1與F-ZJ-2為從機輔助繼電器的1個常閉接點，Zflag與Fflag為系統狀態檢測信號。主機/從機輔助繼電器隨著主機/從機開關斷路器的分合閘而分合閘，以通知對方目前所處的狀態。系統默認檢測信號為高電平表示主機/從機處於合閘運行狀態，低電平表示主機/從機處於分閘狀態。

該通信方式的特點在於通信簡單可靠，風機控制系統可以在較短時間內有效地檢測到互補系統的狀態，從而決定本系統的控制策略。

2 、系統互補控制策略

雙電源雙風機保護控制系統的工作環境要求其工作必須可靠，嚴格保證井下供風的持續性。這就要求無論是在所有風機均處於正常狀態或是在某些風機處於故障狀態的情況下，控制系統必須和它的互補系統一起決定最佳的通風控制策略。

表1為雙電源雙風機保護控制系統在不同狀態下的互補控制策略表，其最大限度地利用了未發生故障的風機資源，保證了井下通風的持續性。表中，主機故障或從機故障包括主機或從機任何一颱風機發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發生了故障。

表1 雙電源雙風機保護控制系統互補控制策略表

2.1 主機保護控制系統程序流程

一般說來，主機保護控制系統作為井下通風的常用系統，接收外部輸入的系統啟動命令，控制整個互補系統投人運行。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。圖3為主機保護控制系統程序流程圖。

圖3 主機保護控制系統程序流程圖

主機保護控制系統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信號從低電平轉換為高電平表示主機啟動，從高電平轉化為低電平表示主機停止。

當主機合閘運行時，保護控制系統的各種保護算法啟動，對運行中的風機進行各種故障的保護。一旦檢測到風機在運行中發生故障，先斷開主斷路器，切斷風機電源，發出故障報警，上傳故障信息；同時，斷開輔助繼電器，轉入分閘待機狀態。

當主機處於分閘待機時，保護控制系統實時檢測Fflag信號狀態。如果Fflag信號一定時間內處於低電平或從高電平轉換為低電平，則主機保護控制系統先進行自檢。若系統控制的風機沒有發生故障或沒有全部發生故障，主機保護控制系統立刻啟動未發生故障的風機，轉入合閘運行狀態。

2.2 從機保護控制系統程序流程

從機保護控制系統一般作為井下通風的備用系統，接收外部的啟動信號，不只有在主機保護控制系統控制的風機發生故障的情況下，才作為備用系統投入運行。

從機保護控制系統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，Fflag信號從低電平轉換為高電平表示從機啟動，從高電平轉換為低電平表示從機停止。從機保護控制系統程序流程與主機類似，不再贅述。

3、 系統啟動控制策略

3.1 系統啟動時的衝擊電流分析

基於上述分析，一個雙電源雙風機保護控制系統可控制2颱風機，這2颱風機共用1個電源。而在實際現場，通風通道可能不止1個，需要多個保護控制系統控制2臺以上的風機進行通風。這些主機保護控制系統可能共用的是一個電源，而其互補從機保護控制系統則共用另一個電源，這就出現了在1個電源上掛接多颱風機的情況。風機屬於感應電動機，其啟動電流衝擊較大，等於風機的堵轉電流，大約為其額定電流的5～7倍。假設在1個電源上接了N颱風機負載，每颱風機的額定電流皆為IN，如果這N颱風機負載同時啟動，將對電源產生N×（5～7）IN的衝擊電流，容易造成電源系統低電壓。

為了防止上述情況的發生，必須在風機啟動方面採取一定的措施。由於單颱風機的啟動衝擊電流對電源影響較小，故可以採取適當的延時措施使多颱風機依次啟動，使風機在啟動時對電源的電流衝擊保持在較低的水平。

3.2 系統啟動控制策略分析

現以1個電源接4個保護控制系統、拖動8颱風機的供電系統為例，分析當電源1發生故障、8颱風機停機時，與其互補的4個從機保護控制系統控制的8颱風機立即啟動運行、維持井下供風時的控制策略。

假定每颱風機的額定電流皆為IN，設風機電流與時間之間的函數關係如下：

I＝f（t）E（t）（1）

式中：E（t）為階越函數。

在電源線路上的總電流Isum為

式中：fi（t）表示第i颱風機電流與時間的關係函數，fi（t）與一般的交流電動機的電流與時間的關係函數大致相同；ti表示為第i颱風機的啟動時刻。

電源系統一般都設有保護裝置，發生短路故障時自動跳閘。而風機即感應電動機的短路保護定值一般設置在其額定電流的8倍以上。所以，在設置電源系統的短路保護定值時，一般將其短路保護門限電流設置在當8颱風機都處於額定電流工作情況下，加上1颱風機發生短路故障時產生的總電流。

所以，電源系統的短路保護電流門限值設置為（7+8×1）IN=15IN。

雙電源雙風機保護控制系統啟動控制策略的目標是調整各風機的啟動時間t1～t8，使其在任何時刻滿足條件：

Isum＜15IN （3）

因風機的啟動過程一般比較短暫，而上述目標函數涉及到8個可變量，求解比較困難，故可將條件簡化，即假設在第i（i＞2）颱風機接收到啟動命令時，第i-1颱風機還處於啟動過程中，風機電流f t-1（t）》IN，而第i-2臺以及更早啟動的風機則可以默認已處於啟動完成狀態，風機電流可以直接用IN代替。因此，可以將系統啟動控制策略的條件改變為

因為fi（0）等於風機的堵轉電流，所以式（4）還可進一步簡化為

由於每個條件只與其中的2個時間參數有關，這樣就使得系統的控制策略大大地得到了簡化。

3.3 系統啟動控制策略的具體實現

雙電源雙風機智能保護控制系統實現啟動控制策略的措施：事先測定時間t1-tn並設定首颱風機，首颱風機接收到啟動信號後立即啟動；當任意第i颱風機啟動的同時，系統內部時鐘開始計時，經過時間ti+1-ti之後，通過CAN總線發送允許第i+1颱風機啟動的啟動信號，則第i+1颱風機接收到該信號後立即啟動。

本系統利用時間判據控制風機啟動，取代一般情況下利用電流判據控制風機啟動的方法，是出於對井下供風持續性的要求。如果用電流判據控制風機的啟動，由於啟動電流很大，此時用於檢測電流的互感器可能處於非最佳的線性檢測區，A/D轉換晶片也可能因為電流過大而處於最大值。這些原因將使單片機內部經算法計算出來的電流結果與實際電流結果產生誤差。而該誤差將導致採用電流判據判別啟動條件的過程較採用時間判據判別的過程所用時間長，從而使系統的實時性下降。

4 、結 語

本文介紹了一種雙電源雙風機智能保護控制系統的設計。該系統採用的互補控制策略和啟動控制策略，夠實現主機和從機的及時切換，能保證供風系統不間斷地運行，同時能夠減小由於多颱風機同時啟動對電源造成的衝擊。經過現場調試與試驗，該系統取得了良好的使用效果，保證了井下供風的持續性，使井下通風系統的安全係數大大增加。該智能保護控制系統的下一步改進方向是基於環境變化（如風量、瓦斯濃度的變化等），利用智能控制技術實時調整控制策略，使系統更加適應生產環境的要求，進一步提高安全係數。

責任編輯：gt

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