礦用防爆變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程 剛

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生活服務(wù)公司高陽管理中心， 山西 孝義 032300）

引言

先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備投入使用顯著提升了礦井采掘生產(chǎn)效益，現(xiàn)階段機(jī)電設(shè)備一般采用變頻器控制[1-2]。礦井井下環(huán)境惡劣，在粉塵、有毒有害氣體、高溫等影響下，變頻器在惡劣環(huán)境中長時(shí)間工作會(huì)出現(xiàn)電流、電壓過高等問題，容易導(dǎo)致變頻器發(fā)熱，從而給變頻器高效使用帶來制約[3-6]。文中以綜采工作面采煤機(jī)變頻器為研究對象，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測變頻器工作狀態(tài)，可在一定程度上提升變頻器運(yùn)行可靠性。

1 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

具體提出的采煤機(jī)變頻器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案見圖1 所示，監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)由電源電路，溫度、電流、電壓監(jiān)測電路、CAN 總線通信接口電路、主控制器以及上位機(jī)等組成。

圖1 變頻器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變頻器電流、溫度以及電壓等數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)CAN 總線將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)可動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具備預(yù)警功能。各監(jiān)測電路、上位機(jī)、主控制器等設(shè)備均有獨(dú)立電源，可提高監(jiān)控系統(tǒng)各電路運(yùn)行可靠性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件及軟件結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 主控制器

主控制器主要用以對變頻器溫度、電流、電壓等快速監(jiān)測，選用的主控制器型號(hào)為C8051F040 單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部集成有CAN 控制器，可與CAN 總線連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而簡化數(shù)據(jù)傳輸方式，提高傳輸效率。主控制器可通過溫度、電流、電壓等監(jiān)測電路掌握變頻器運(yùn)行參數(shù)，并由CAN 總線將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)將獲取到的各類數(shù)據(jù)以曲線、表格等形式直觀顯示。

2.1.2 電流監(jiān)測電路

電流監(jiān)測電路可監(jiān)測逆變、整流以及中間環(huán)節(jié)等電流，監(jiān)測電路具體選擇型號(hào)LT58-S7/SP1 電流傳感器。該傳感器可實(shí)現(xiàn)直流、交流以及脈沖電流直接監(jiān)測，并由15 V、直流電源供電。

電流監(jiān)測電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后，將監(jiān)測信號(hào)傳輸給上位機(jī)，從而實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測結(jié)果。

2.1.3 溫度監(jiān)測電路

溫度監(jiān)測電路選用熱電阻溫度傳感器PT100，并將傳感器緊密布置到器逆變器散熱片上。具體設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測電路見下頁圖2 所示，其中差分運(yùn)放電路主要由運(yùn)算放大器U3、U4 組成；恒流源電路由電阻R8、R9 組成。通過差分運(yùn)放電路、恒流源電路可將傳感器電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。熱電阻傳感器獲取到的電壓信號(hào)通過AD620 放大，并經(jīng)由CAN 總線傳輸給上位機(jī)。

圖2 溫度監(jiān)測電路

2.1.4 電壓監(jiān)測電路

電壓監(jiān)測電路可實(shí)現(xiàn)逆變、整流以及中間環(huán)節(jié)電壓等監(jiān)測，選用傳感器為TBV10/25A，該傳感器額定工作電流為10 mA，原邊、副邊匝數(shù)比為1∶2.5。具體電壓監(jiān)測電路如下頁圖3 所示。

圖3 電壓監(jiān)測電路

2.2 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件主要由上位機(jī)、下位機(jī)軟件構(gòu)成，其中上位機(jī)軟件主要用以對監(jiān)測完成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)及顯示；下位機(jī)軟件用以對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、處理及傳輸?shù)取?/p>

2.2.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要由MCGS 組態(tài)軟件編制，該組態(tài)軟件具有功能強(qiáng)大、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，是工礦企業(yè)常用軟件開發(fā)平臺(tái)。依據(jù)MCGS 組態(tài)軟件編制上位機(jī)軟件并通過CAN 總線與下位機(jī)進(jìn)行通信，可對下位機(jī)獲取到的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、診斷、存儲(chǔ)以及查詢。同時(shí)用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)測變頻器內(nèi)電流、溫度、電壓等參數(shù)變化情況，提升監(jiān)控系統(tǒng)可視化、自動(dòng)化水平。上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件主要包括初始化程序、中斷程序，可實(shí)時(shí)獲取變頻器運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)并將監(jiān)測結(jié)果傳輸給上位機(jī)。其中初始化程序由系統(tǒng)初始化、A/D 初始化、I/O 初始化、CAN 初始化等組成；中斷程序由定時(shí)中斷、CAN 通信中斷等構(gòu)成。具體下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖見圖5 所示。

圖5 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3 現(xiàn)場測試分析

為了對文中設(shè)計(jì)變頻器監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)性以及有效性進(jìn)行分析，在山西某礦1506 綜采工作面采煤機(jī)變頻器上布置監(jiān)控系統(tǒng)，用以對變頻器運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測。采煤機(jī)配套使用的變頻器參數(shù)為：額定電流90 A、額定電壓AC380 V、額定功率45 kW?，F(xiàn)場應(yīng)用后測試獲取到的變頻器溫度監(jiān)測結(jié)果見表1所示。

表1 溫度參數(shù)

從監(jiān)測結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測溫度與手動(dòng)測試溫度間測試結(jié)果相近，最大絕對誤差為0.7 ℃，誤差率最大為2.78%。監(jiān)控系統(tǒng)測試精度較高，可滿足煤礦井下傳感器監(jiān)測需要。

4 結(jié)語

變頻器是煤礦井下常用機(jī)電設(shè)備，用以為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)以及局部通風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備提供交流電源，變頻器運(yùn)行可靠性以及運(yùn)行效率直接影響井下生產(chǎn)。由于變頻器使用環(huán)境較為惡劣，存在粉塵、水以及高溫等不利影響因素，從而會(huì)在一定程度上影響變頻器運(yùn)行可靠性。為此，文中設(shè)計(jì)一種變頻器運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電流、溫度、電壓監(jiān)測電路對變頻器運(yùn)行溫度、電壓以及電流等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有監(jiān)測精度高以及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。