煤矿井下电气设备功能电路模块的设计.pdf

科技信息 1. 引言 目前煤矿井下电气设备的电气保护主要有过流保护、漏电保护和 接地保护三种类型。 煤矿电气设备有矿用一般型高压开关柜、 高压防爆 配电装置、 移动变电站 （或矿用变压器） 、 馈电开关以及磁力起动器等， 其电气保护装置类型多样， 功能各异。 矿用一般型高压开关柜主要用于煤矿地面变电所、井下中央变电 所、 低瓦斯矿井的井底车场、 总进风巷和主要进风巷， 其通用的继电保 护装置一般均以电磁感应式为主， 整个系统包括继电器、 电流互感器及 断路器等几部分， 能够实现反时限的过载、 定时限的过流、 瞬动短路、 失 压或欠压保护功能以及漏电保护 （又称为接地保护 ） 等功能。这种保护 方式的结构简单， 并且现场具备一定的维护能力。但随着技术的进步， 这种电气保护方式和保护设备将由电磁感应式、 晶体管式、 集成电路式 继电器向微处理器式及数字式继电器方向发展。 本文主要完成了煤矿井下电器设备功能电路模块的设计。 2. 功能电路模块的设计 由漏电闭锁模块、 通信模块、 联控模块、 故障存储模块、 实时时钟模 块以及电源模块构成了智能保护单元的功能电路模块。 2.1 漏电闭锁模块的设计 漏电闭锁模块主要是对绝缘电阻的检测，就是在真空接触器吸合 之前或断开之后对电机绕组部分电缆进行绝缘检测，如果检测到绝缘 电阻值低于动作值，那么漏电闭锁保护动作，禁止启动并发出报警信 号， 液晶显示屏给予显示漏电故障以及漏电绝缘电阻值， 当主回路的绝 缘电阻恢复到动作值的 1.5 倍时， 自动恢复漏电闭锁保护， 此时允许真 空接触器合闸。 当处于主回路刚刚断开后的状态时， 漏电闭锁保护要在 延时 10 秒以后投入。当启动前没有漏电故障时， 系统正常启动并且真 空接触器吸合以后漏电闭锁保护就不投入了,此时的漏电保护功能应该 由上一级的馈电开关来完成。 图 1 绝缘检测等效电路 漏电闭锁保护采用附加直流源的原理进行信号采集。如图 1 所示, 采用 24V直流电源通过电机的三相绕阻与大地之间形成回路，如果线 路对地的绝缘电阻发生了变化， 那么采样点电压就产生相应的变化， 通 过这种方法就能实时检测电机部分对地的绝缘电阻，在检测线路上串 联一个真空接触器的常闭触点，在真空接触器的线圈上串联一个检漏 输出的常闭触点， 这样就实现了闭锁功能。 2.2 通信模块的设计 本设计通信模块选用可远距离传输数据的 RS- 485，通过 RS- 485 将现场参数送往矿局域网，网内用户可以在任意时刻浏览电气设备的 运行情况。 通信的基本方式分为并行通信和串行通信。并行通信的优点是传 输速度快， 缺点是需要同时连接的线数多， 尤其是在通信距离较长时传 输线的成本会急剧增加。 串行通信的缺点是传送速度较慢， 突出的优点 是仅仅需要数量很少的传输线，特别适合远距离传输。且对单片机而 言， 串行通信需要占用的引脚资源较少。在数据通信、 计算机网络以及 工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息 交换的目的。所以本设计采用了 RS- 485 串行通信方式。 RS- 485 串行通信方式遵循 R S- 4 8 5 通信接口标准 a.RS- 485 的 电气特性 逻辑 “1“ 以两线间的电压差为 （2～6 ） V 表示； 逻辑 “0“ 以 两线间的电压差为－ （2～6 ） V表示。接口信号电平比 RS- 232 降低了， 不易损坏接口电路的芯片，且该电平与 TTL电平兼容，可方便与 TTL 电路连接； b. RS- 485 的数据最高传输速率为 10Mbps； c.RS- 485 接口是 采用平衡驱动器和差分接收器的组合， 抗共模干扰能力增强， 即抗噪声 干扰性好； d.RS- 485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际上 可达 3000 米， 在总线上是允许连接多达 128 个收发器， 即具有多站能 力,这样用户可以利用单一的 RS- 485 接口方便地建立起设备网络。 图 2 MAX485 内部结构图和通信原理图 RS485 接口连接器采用 DB- 9 的 9 芯插头座， MAX485 传输方式采 用差动方式， MAX485 的内部结构图和传输原理图如图 2 所示。 因为 MAX485 采用两线制，通过它的信号被传送出去时会先分成 正负的两条线路， 当到达接受方后， 再将信号相减还原成原来的信号。 所以它的输入与输出信号所经过的线路相同，这就决定了它的通信方 式只能是半双工的。 在用 MAX485 进行通信时， 应该仔细考虑如何控制 它何时收发， 是属于接收还是发送信号， 然后只要对 MAX485 的 DE 和 RE 管脚进行控制就行了， PIC16F877A 与 MAX485 的连接原理图如图 3 所示。 图 3 PIC16F877A与 MAX485 的连接原理图 2.3 联控模块的设计 联控是实现智能控制单元网络化的重要手段之一，本文研制的保 护单元设置了联控功能， 当系统被设置成联控模式以后， 任何一台保护 单元都可以在菜单中设置成主机或从机，但是整个系统中只能有一台 主机， 其它从机在主机的控制下联网运行， 并且采用延时使从机按先后 顺序起动， 延时时间在 （0～99s ） 内随意设置。图 4 为二台保护单元进行 联控时的原理图。 图 4 联控原理图 联控方式采用环型接线方式，每个控制单元的联控接口包括上位 机接口和下位机接口两部分， 下面以三机联控为例说明联控接线方式， 如图 5 所示。通过设置后机延时时间， 可实现从机顺序起动， 联控系统 由主机控制起动和停止，但联控系统的每台机仍然可以单独起动和停 止。联控系统任何一台机发生故障， 系统实现停机， 故障机本身显示并 记录故障信息， 联控系统其它机器只显示故障机的编号， 不作记录。联 控系统发生故障后， 必须先排除故障， 并使每台机都复位后才能重新运 煤矿井下电器设备功能电路模块的设计 淮南矿业集团顾桥矿吴征鹏 ［摘要］ 本文根据智能保护单元各保护功能的要求， 设计了煤矿井下电气设备的智能保护单元的硬件电路功能模块， 详细阐述了硬 件电路的工作原理， 并且对所设计的硬件电路进行了分析， 均能达到设计指标要求， 能够对系统进行可靠的控制与保护。 ［关键词］ 电气设备煤矿电路模块 工程技术 622 科技信息 行。 本设计用频率来对应各种联控命令，联控系统的信息传送是通过 一定频率的脉冲来实现的，每个从机号和控制命令都对应着相应的频 率的脉冲，某台机要向下位机发送命令或从机号时只须发送相应频率 的脉冲即可。下位机接收后进行解码， 就可以识别上位机的命令。 图 5 联控接线图 光耦电路是接收下位机或上位机脉冲和接收下位机合闸信号的。 而 ULN2003 的 OUT7 和 OUT6 是用于发送脉冲的。联控通信的频率对 应见表 1。 表 1 联控通信的频率 2.4 故障存储模块的设计 故障存储模块采用铁电存储器 FM24C64 芯片， 它是一种非易失性 记忆体， 它的逻辑结构为 81928 位， 接口方式为工业标准接口。 铁电存储器具有持久保存数据的能力和存储快速性的优点，存储 的数据可以保存在 10 年以上，普通的 EEPROM的存储速度在毫秒级 而铁电存储器 FRAM存储速度在微秒级，噪声和电源波动环境写数据 对 EEPROM来说极具挑战性， 而 FRAM写的速度非常快， 噪声和电源 波动还来不及干扰就已经存储完毕了。 因此利用铁存储器的上述优点， 在设计中对发生的各种电压、 电流 以及漏电故障进行高效、 快速、 准确的存储， 通过软件设计的查询算法 用户可以方便的对历史故障信息进行查询，对设备的维护提供了可靠 的依据。 2.5 实时实钟模块的设计 实时时钟模块电路以 HT1380 时钟芯片为核心， 包括晶振电路， 带 掉电保护的电源电路和串行数据通信电路， 如图 6 所示。 图 6 实时时钟模块电路 实时时钟采用 HT1380 芯片， 它是 HOLTEK公司推出的一款带秒、 分、 时、 日、 星期、 月、 年的串行时钟保持芯片， 每个月多少天以及闰年能 自动调节， HT1380 具有低功耗工作方式并用若干寄存器存储对应信 息， 一个 32.768KHz的晶振校准时钟， 为了使用最少引脚， HT1380 使用 一个 I/O口与微信息处理机相连， 仅使用三根引线1RST复位； 2SCLK 串行时钟； 3I/O 口数据就可以传送 1 字节或 8 字节的字符组。因而， HT1380 是一种性价比极高的时钟芯片， 它可以为系统提供准确的时间 信息。 HT1380 的掉电保护电路包括 D1， D2， D3 三个二极管， 稳压电容以 及供电电池。正常电网上电时， 开关电源 5V 经过 D1 后加到 HT1380 的 VCC， 此时 VCC4.3V， D2， D3 关断， 即电池不供电； 当电网断电时， 电 容放电， HT1380 的 VCC 的电位下降， 降到一定程度， D2,D3 导通， 电池 向 HT1380 供电， 保证时间数据不丢失。此时， D1 反向截止， 电池只对 HT1380 供电， 延长电池使用时间。 通过软件设计可以方便实现对时间的记录功能，在菜单中可以方 便的实现时间的设置， 并且时间设置一次就可以长时间准确的运行， 平 时在运行屏上观测到时间的实时显示，另外时间还可以作为故障查询 的基准， 因此时间模块在智能控制单元中是十分重要的组成部分。 2.6 电源模块的设计 智能保护单元的电源电路包括电网供电电路和电池供电电路。这 两种供电方式可以由拨档开关进行切换。 当电网上电运行时， 应采用电 网供电方式， 此时控制单元由中继开关电源供电； 当系统停止运行， 要 求对系统参数进行整定的时候， 按照煤矿安全操作规程， 在井下不允许 带电打开隔爆外壳， 这就要把供电方式切换成电池供电， 此时控制单元 由外置的蓄电池供电。为防止蓄电池电极短路， 蓄电池电极密封， 并且 在近极端串接了 200mA的快速熔断丝， 可以有效防止蓄电池电极短路 产生事故。 图 7 电池供电电路图 电池供电电路如图 7 所示。12V的蓄电池经过 7805 后产生一个稳 定的 5V 电压， 当供电方式切换成电池供电方式时， 双路拨档开关 S1 将同时产生一个电池供电方式返回信号，这个信号使系统识别当前为 电池供电方式， 从而关闭不必要的服务程序， 如禁止合分闸操作等， 只 允许键盘和显示操作， 从而确保完成参数整定。 3. 总结 本文根据智能保护单元各保护功能的要求，设计了煤矿井下电气 设备的智能保护单元的硬件电路功能模块，详细阐述了硬件电路的工 作原理，并且对所设计的硬件电路进行了分析，均能达到设计指标要 求， 能够对系统进行可靠的控制与保护。 参考文献 ［1］ 董茂华.煤矿井下电气保护存在的问题及安全措施 ［J ］ .煤矿机 械， 2006.6 ［2］ 曹保银.基于煤矿供电系统和电气设备的保护 ［J ］ .煤矿机械， 2006.6 ［3］ 余淑梅.煤矿井下电气设备保护接地 ［J ］ .煤炭技术， 2005.11 ［4］ 王琦.煤矿井下电动机常见故障分析与探讨 ［J ］ .山东煤炭科技， 2006.3 ［5］ 宋建成.ZDB 系列单片机电动机综合保护器 ［J ］ .煤矿自动化， 1993 （4 ） ［6］ 窦振中， 汪立森.PIC 系列单片机应用设计与实例 ［M］ .北京， 北 京航空航天大学出版社， 1999， 1 ［7］ 张明峰.PIC 单片机入门与实践 ［M］ .北京， 北京航天航空大学 出版社， 2004， 9 ［8］ 李学海.PIC 单片机原理 ［M］ .北京， 北京航天航空大学出版社， 2004， 5 R1 10K R2 10K R3 10K 5V RC0 RC1 RC2 电池供电电源 中继开关电源 5V D1 D2 D3 1 2 3 45 6 7 8 HT1380 NC X2 X1 GND VCC SCL I/O RST V 32SCLK 5V 从机号 4ms 的脉冲数 （个 ） 半周期时间 （μs ） 频率理论值 （kHz ） 频率实际值 （kHz ） 0210000.50.5008 1450011.001 263331.51.507 3825022.016 4102002.52.501 51216632.995 6141433.53.492 71612543.996 8181114.54.542 92010055.097 起动信号36670.750.7518 蓄电池 工程技术 623