基于CAN总线的井下风机综合保护器的方案研究

摘 要:风机是用于输送气体的机械,它是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。电机综合保护器用于控制矿井下驱动风机的电动机,实现多种故障的综合保护,本文从综合保护器的功能要求和实现方法上出发,提出本综合保护器的总体方案。

关键词:风机 综合保护器 方案

中图分类号:TH4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)06(a)-0055-01

1 风机概述

风机是用于输送气体的机械,从能量的观点看,它是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械。风机种类很多,有锅炉风机、煤粉风机、矿用风机等。本文要保护的风机是局部通风机,用于煤矿掘进工作面,在通风方面满足可靠度定额的局部矿井通风系统的可靠性。

煤矿井下空气中有大量的瓦斯、粉尘、二氧化碳等,使煤矿井下空气污浊,当瓦斯浓度超限,容易使人发生窒息,当有明火时容易发生瓦斯爆炸事故,威胁煤矿安全生产的顺利进行。为此,各煤矿都采用通风机通风,稀释瓦斯浓度,排除污浊空气,保证矿井下空气新鲜,防止瓦斯爆炸等事故,保证安全生产。因此,矿井下的正常通风对煤矿安全生产有着重要关键的作用,为防止风机意外故障而导致停风,引发安全事故,共设有两台风机,一台为主风机,另一台为备用风机。当主风机发生故障时,可以自动启动备用风机,保证矿井正常通风。矿井中主要的危险气体是瓦斯,其主要成分为甲烷气体。通过瓦斯传感器可以检测瓦斯浓度,瓦斯浓度的大小直接影响煤矿安全,我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。

风机的驱动电机有单台的,也有多台的。本课题的风机采用4台电机驱动,3台双速电机,1台单速电机。电机不同转速的组合,让风机产生4级风量。

2 CAN的基本要求和功能分析

CAN是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时,CAN 仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。

由于CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互连,因此,越来越受到工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。因此,CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

根据项目技术要求,风机的额定工作电压:660V/1140V。额定工作总电流为:400A,单台电动机功率范围:72/60kW、52/45kW、45/37kW、37/32kW、22/18.5kW、18.5/15kW。本产品为防爆型,必须满足《煤矿安全规程》和《GB3836爆炸性气体环境用电气设备》、《MT111-1998》等相关标准的要求。

本电机综合保护器用于控制矿井下驱动风机的电动机,实现多种故障的综合保护,同时,为满足《煤矿生产安全规程》,要求具有“三专两闭锁”功能,“三专”指专用变压器,专用开关,专用线路;“两闭锁”指风电闭锁,瓦斯闭锁。两台矿井风机—— 一台主风机和一台备用风机能自动切换,当有故障或风机工作时间累计或倒计时到了该倒机的时间,则自动启动备用风机,保证连续供风。此外,要求井下系统与地面煤矿安全监控系统能相互通信,方便地面监测风机的运作状况。

(1)与地面上位机监控系统的联网通信功能。为了便于地面人员实时控制井下信息,对矿井安全生产进行全面监控,要与上位机联网通信,将故障信息、风机运行状况等信息传送到上位机,同时上位机可以实时要求下位机传送所需数据。

(2)对矿井环境检测监控。保证煤矿井下安全生产,瓦斯浓度和风量的大小是很重要的参数。3个采用瓦斯传感器和3个风量传感器进行参数检测,不同的瓦斯浓度启动不同的风量,同时数据送上位机进行实时监控。瓦斯浓度为5%～16%是瓦斯的爆炸界限,当瓦斯浓度(来自瓦斯传感器)低于5%～16%就不停的送风,而瓦斯浓度高于16%整台风机就全部停止工作,并报警。

(3)具有缺相、短路、过载、漏电等故障保护功能,改善保护功能单一状况。每一台风机由1、2、3、4号4台电机控制其风量。电动机在运行过程中因电机本身、环境、电网等具有缺相、过载、短路等故障,损坏电动机,造成风机供风停断,为此,本综合保护器要防止这些故障发生,一旦发生能启动备用风机,保证供风连续。

(4)当主风机出现故障,能自动启动备用风机,并有声音报警。因为矿井环境特殊,管理不好,时时都有瓦斯突出、爆炸等危险发生,造成极大的安全事故,为此,保证井下正常通风是非常重要的,所以要有备用风机,能在主风机出现故障时及时自动启动,保证连续供风。

(5)显示风量等级,瓦斯浓度、工作电压、工作电流、故障信息,并能记忆十次故障。为了能使工作人员实时知道当前矿井中的各种状况,设有液晶显示屏幕实时显示当前的基本信息,同时为了了解最近的故障情况便于尽早采取措施避免相似故障连续发生,系统可以记忆十次故障信息,在液晶显示屏上可以查询,便于分析使用。

从以上的功能分析可知,本综合保护器的研究可分为如下几部分:各种故障处理模块,信号检测滤波模块,通信模块,显示模块等。

3 井下风机综合保护器的方案

从以上对井下风机综合保护器的基本要求和功能分析,本电机综合保护器主要研究的是如何将对4台电动机的保护做成一个综合保护器,此外,还要对环境和风机的运行状况进行检测,并加以保证矿井安全。同时为方便与上位监控系统通讯,引入广泛应用、性能优越的CAN总线来实现实时通信通讯时只要将环境状态、风机运行状态、电动机故障信息传送到CAN总线上即可。为此,确定本综合保护器的总体方案如下。

本矿井风机综合保护器一方面保护电动机,另一方面保证矿井风机正常运行,以保证井下正常通风,选择了基于CAN总线的通讯模式,通过CAN总线进行上位主机监控系统与下位机得所有电动机综合保护器通讯:煤矿井下通风,可以有几台通风机,将每个通风机的电动机综合保护器都作为CAN总线上的一个节点,连在CAN总线上,传输矿井环境信息、每台风机运行信息及电动机故障信息等。在电动机与CAN总线的连接上,要设计专门的通讯接口——单片机与CAN总线的接口模块,实现单片机控制得电动机综合保护器能与上位机通讯。

本文从综合保护器的功能要求和实现方法上出发,提出本综合保护器的总体方案。首次将多台电动机的故障保护做成一台综合保护器,对于信号的采集,采用适用有效的带通滤波器进行滤波,去除干扰信号。充分将网络通讯技术应用到该保护器的综合保护上,使其具有很好的控制实时性与可靠性,且方便了整个矿井监控系统的完善。

参考文献

[1]宋伟宏,贾云飞,王景芹,等.三相电动机智能保护器的研究[J].中小型电机,2003(3):42～45.

[2]刘重轩.论我国电动机保护的现状和未来[J].西北纺织工学院学报,1998(1):53～55.

①作者简介:嵇鹏程(1978—),男,江苏盐城人,南京华飞彩色显示有限公司工程师,研究方向:机械电子工程。

魏树伟(1979—),女,吉林长春人,中南大学机械电子工程研究所硕士研究生,研究方向:机械电子工程。

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