許連丙

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械國家工程實驗室，山西 太原 030006)

0 引言

礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置是礦用采掘裝備工頻回路控制中必不可少的裝置之一，其功能主要是監(jiān)測工頻回路中電機(jī)空載啟動、帶載啟動和正常運行過程中可能發(fā)生的短路、過載、缺相等異常狀況，并針對以上異常狀況及時執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作，避免造成對電機(jī)、電源甚至人員的傷害。

早期的礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置不是一個單一的部件，而是由多個部分組成的。電流變送器+電機(jī)綜合保護(hù)器是早期電機(jī)綜合保護(hù)裝置的雛形。其中:電流變送器負(fù)責(zé)電流信號的采樣;電機(jī)綜合保護(hù)器負(fù)責(zé)對電流信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用運算放大器和比較器實現(xiàn)對電機(jī)異常狀況的監(jiān)測和保護(hù)。隨著可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)的出現(xiàn)，礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置逐漸向軟件控制方向發(fā)展，但其基本結(jié)構(gòu)仍然是電流變送器+PLC的形式。由PLC代替電機(jī)綜合保護(hù)器，其優(yōu)勢是可以通過軟件實現(xiàn)保護(hù)閾值的修改，缺點是電流變送器和PLC仍然是分開布置使用的，它們之間引線較多，使用和維護(hù)都不方便[1]。

近幾年，隨著智能化發(fā)展的不斷推進(jìn)，尤其是礦用采掘裝備智能化發(fā)展要求的不斷提高，礦用電機(jī)綜合保護(hù)裝置作為礦用采掘裝備不可缺少的電控部件，其智能化發(fā)展迫在眉睫。目前，應(yīng)用于工頻電機(jī)保護(hù)的相關(guān)智能化產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，例如馬達(dá)保護(hù)器、智能電流變送器等。

本文以在用的工頻電機(jī)保護(hù)的智能化產(chǎn)品為基礎(chǔ)，深入研究了礦用智能化產(chǎn)品的特點，設(shè)計了應(yīng)用于煤礦井下的礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置。

1 總體設(shè)計

1.1 概述

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)集測量、計算、邏輯判斷、通信、顯示于一體。保護(hù)參數(shù)整定可通過操作面板完成，或者通過通信方式由上位機(jī)完成。在測量方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有三相交流電壓、電流、漏電流、電機(jī)繞線溫度和絕緣數(shù)值采樣功能。在保護(hù)方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有電壓缺相保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電機(jī)繞組過熱保護(hù)、負(fù)載不平衡保護(hù)、漏電保護(hù)等功能。在接口方面，保護(hù)裝置應(yīng)具有對所控對象(如交流接觸器)的吸合線圈控制接口、接觸器觸頭狀態(tài)反饋信號接口、電機(jī)漏電閉鎖引線接口等。在控制方面，保護(hù)裝置應(yīng)能遠(yuǎn)程控制，可以通過通信的方式將綜合保護(hù)裝置的工作狀態(tài)及信息實時傳輸給上位機(jī)[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)用于煤礦井下裝備的電控系統(tǒng)中，布置于防爆箱殼體內(nèi)。另外，礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置在煤礦設(shè)備電控系統(tǒng)中的使用非常廣泛，并且應(yīng)用場合和工況多變。因此，礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則[3-4]。

①硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)高度集中。

②在滿足應(yīng)用要求的條件下，保護(hù)裝置功能應(yīng)多樣化，體積應(yīng)盡量小。

③符合抗震性要求。

④考慮保護(hù)裝置的抗干擾性能。

1.3 顯示及鍵盤設(shè)計

綜合保護(hù)裝置應(yīng)采用中文液晶顯示，內(nèi)容應(yīng)包括電壓、電流、溫度和漏電流等數(shù)據(jù)，以及故障代碼等信息。液晶顯示還能與保護(hù)裝置的控制鍵盤配合使用，實現(xiàn)對保護(hù)閾值等參數(shù)的修改。

2 硬件設(shè)計

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置具有實時數(shù)據(jù)采樣、故障保護(hù)、遠(yuǎn)程通信、故障信息存儲及查詢等功能。保護(hù)裝置對電機(jī)電流、電壓等信號進(jìn)行采樣。采樣信號在保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)變換及計算，并依據(jù)不同的工況執(zhí)行相應(yīng)的邏輯判斷，從而實現(xiàn)對電機(jī)的保護(hù)[5]。

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置硬件如圖1所示。

圖1 礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of mine intelligent motor comprehensive protection device

2.1 主控芯片設(shè)計

主控芯片選用TI公司的高速數(shù)字處理器DSP28335。該芯片集成了多種先進(jìn)實用的外設(shè)，例如串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface,SPI)、串行通信接口(serial communication interface,SCI)、控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)、模數(shù)(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換采樣等，可以實現(xiàn)功能外擴(kuò)。其主頻最高可達(dá)150 MHz，滿足數(shù)據(jù)采樣計算快速性的要求。DSP28335支持浮點運算，省去了低版本數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)中需要依靠Q格式來保證計算精度的麻煩。另外，該器件可外擴(kuò)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(static random access memory,SRAM)，便于前期程序的調(diào)試。

2.2 主控芯片電源設(shè)計

電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖Fig.2 Schematic diagram of power supply circuit

DSP28335工作時需要3.3 V的FLASH電壓及1.8 V的內(nèi)核工作電壓。芯片對供電電源極其敏感。因此，為主控芯片供電的電源芯片必須具有較高的輸出精度，紋波要小，運行要可靠。電源芯片TPS767D301輸入電壓為+5 V，正常工作時能夠同時輸出3.3 V及1.8 V這2種電壓，可以為主控芯片DSP28335供電。另外，供電電路中有自恢復(fù)保險、反向二極管、壓敏電阻等器件，對電路的過流、過壓有一定的保護(hù)作用。TPS767D301自身能夠輸出復(fù)位信號，可供DSP28335直接使用，無需為主控芯片設(shè)計專門的復(fù)位電路。

2.3 電壓采樣電路設(shè)計

礦用設(shè)備供電電壓一般為AC 1 140 V，因此保護(hù)裝置采樣的電壓信號不但是交流信號，而且是高壓信號。要實現(xiàn)對電壓信號的采樣，就需將高電壓信號轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流信號。本設(shè)計采用電阻串聯(lián)分壓的方式，實現(xiàn)將電壓信號從高壓到低壓的轉(zhuǎn)換。為了提高電壓采樣的安全性，保證當(dāng)電源側(cè)出現(xiàn)瞬間高壓或者電壓浪涌時不會對保護(hù)器造成影響，需要在電壓信號采樣中增加信號隔離電路。

交流線電壓UAC的采樣/隔離電路如圖3所示。采樣電路通過多個電阻進(jìn)行降壓，并通過10 kΩ的采樣電阻R11及R30進(jìn)行取樣。此時，在采樣電阻上的壓降約為5 V。然后，通過信號調(diào)理芯片INA128U對電壓信號進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，隨后采用高壓隔離芯片ISO122U對要采樣的電壓信號進(jìn)行隔離，以提高電壓采樣回路的抗電壓擊穿能力。

圖3 交流電壓UAC的采樣/隔離電路圖Fig.3 Schematic diagram of AC voltage UAC sampling/isolation circuit

2.4 電流雙極性采樣電路設(shè)計

由電壓采樣電路設(shè)計可知，電壓采樣信號經(jīng)過相應(yīng)的變換后，仍然是雙極性的交流信號。為了提高本裝置中電流的采樣精度，電流信號的采樣采用LEM公司的電流互感器。因此，電流采樣信號也是雙極性的交流信號。原則上，DSP28335具有16路12位的A/D采樣外設(shè)，可以用于電壓/電流信號的采樣。但由于電壓、電流采樣信號均為雙極性信號，所以本設(shè)計中采用雙極性采樣芯片ADS8364。該芯片可以通過地址控制端A0、A1、A2對6路幅值不超過±3.3 V的雙極性信號中的任一路信號進(jìn)行同步采樣，采樣精度為16位。當(dāng)采用最大為5 MHz的采樣頻率時，單個回路采樣周期約為4 μs，完全可以滿足保護(hù)裝置對采樣速率的要求[6]。采樣電路如圖4所示。

圖4 采樣電路圖Fig.4 Schematic diagram of sampling circuit

2.5 數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計

礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置應(yīng)用于不同的場合，其控制對象也就不同。因此，控制參數(shù)以及保護(hù)參數(shù)的整定與修正必不可少。為提高礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置的可操作性，設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲功能，方便控制參數(shù)的掉電保存[2,7]。數(shù)據(jù)存儲電路如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲電路圖Fig.5 Schematic diagram of data storage circuit

DSP28335具有外擴(kuò)的同步串行集成電路(inter-integrated circtuit,I2C)總線可與8 KB的EEPROM存儲芯片24LC08實現(xiàn)保護(hù)裝置的掉電存儲功能。

2.6 通信設(shè)計

DSP28335具有2路增強(qiáng)型的CAN接口以及三路SCI接口，2種通信接口均為串行通信接口。其中，CAN通信接口具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，而SCI通信接口在工業(yè)應(yīng)用上更加廣泛。本設(shè)計中對主控芯片的CAN通信接口進(jìn)行了擴(kuò)展。CAN擴(kuò)展電路如圖6所示。

圖6 CAN擴(kuò)展電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of CAN expansion circuit

3 軟件設(shè)計

以主控芯片DSP28335為中心搭建的硬件平臺，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)。而要完成保護(hù)裝置的所有功能，還需要軟件的支持。本設(shè)計中系統(tǒng)軟件主要包括主程序、鍵盤程序、通信程序等[8]。

3.1 主程序設(shè)計

主程序是整個控制軟件的核心，通過對各個子程序塊的調(diào)用實現(xiàn)整個軟件的正常運行。主程序也是整個保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)計算、邏輯判斷的關(guān)鍵所在。在主程序中將保護(hù)裝置采樣的電壓、電流信號進(jìn)行集中處理，判斷控制電機(jī)是否處于異常狀態(tài)，并實時發(fā)出相應(yīng)的控制指令；同時，將計算和判斷結(jié)果傳輸給上位機(jī)[9]。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flowchart of the main program

3.2 鍵盤程序設(shè)計

鍵盤是利用主控芯片的外部中斷來實現(xiàn)的。鍵盤共設(shè)置了“PAR”“ENTER”“+”“-”4個鍵用于保護(hù)裝置采樣修正參數(shù)和保護(hù)閥值參數(shù)的修改。4個鍵均采用開關(guān)量信號，與DSP28335的外部中斷INT1相連接，當(dāng)有按鍵操作時就會觸發(fā)并執(zhí)行鍵盤中斷程序。

鍵盤中斷子程序流程如圖8所示。

圖8 鍵盤中斷子程序流程圖Fig.8 Flowchart of the keyboard interrupt sub program

3.3 通信程序設(shè)計

保護(hù)裝置采用CAN通信方式，默認(rèn)波特率為250 kbit/s(支持在線修改)，支持CAN2.0B，并結(jié)合循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)，大大提高了通信的可靠性[10]。CAN通信收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖9所示。

圖9 CAN通信收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖Fig.9 Flowchart of sending and receiving data in CAN communication

4 測試結(jié)果及分析

為驗證保護(hù)裝置保護(hù)動作的有效性，本文進(jìn)行了多次測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄。分別以額定電壓及額定電流的10%、100%以及120%為電壓、電流采樣測量目標(biāo)，以采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析保護(hù)裝置的采樣精度，參考低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB 14048—2016)，對保護(hù)裝置的動作性能進(jìn)行了測試。電壓測試結(jié)果如表1所示。

表1 電壓測試結(jié)果Tab.1 Test results of the voltages

電流測試結(jié)果如表2所示。

表2 電流測試結(jié)果Tab.2 Test results of the currents

保護(hù)裝置動作測試結(jié)果如表3所示。

表3 保護(hù)裝置動作測試結(jié)果Tab.3 Action test results of protection device

由表1及表2中的采樣結(jié)果可以看到，雖然采樣的目標(biāo)值在額定值附近時采樣精度較高，而遠(yuǎn)離額定值時采樣精度較低，但整個數(shù)據(jù)段的電壓采樣誤差能夠達(dá)到0.9%以下，電流采樣誤差能夠達(dá)到1.21%以下，完全能夠滿足保護(hù)裝置對采樣精度的要求。另外，由表3可以看到，各個電流測試點都能夠滿足GB 14048—2016標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

本文采用了DSP28335以及雙極性A/D采樣芯片ADS8364，用于礦用智能電機(jī)綜合保護(hù)裝置的設(shè)計。該設(shè)計充分考慮了礦用采掘裝備工頻回路控制的特殊性，從硬件、軟件以及應(yīng)用等方面作了詳細(xì)的介紹。試驗結(jié)果表明，本設(shè)計在采樣精度和動作時間方面均能夠滿足對礦用采掘裝備工頻回路的保護(hù)要求。