煤矿地面主通风智能保护器设计.pdf
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1、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.
2、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 v
3、entilation 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
4、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 s
5、ystem;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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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