礦用防爆變頻器監控系統的設計

程 剛

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

引言

先進的機電設備投入使用顯著提升了礦井采掘生產效益，現階段機電設備一般采用變頻器控制[1-2]。礦井井下環境惡劣，在粉塵、有毒有害氣體、高溫等影響下，變頻器在惡劣環境中長時間工作會出現電流、電壓過高等問題，容易導致變頻器發熱，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變頻器為研究對象，設計監控系統實時監測變頻器工作狀態，可在一定程度上提升變頻器運行可靠性。

1 變頻器監控系統結構方案

具體提出的采煤機變頻器監控系統結構方案見圖1 所示，監控系統主要結構由電源電路，溫度、電流、電壓監測電路、CAN 總線通信接口電路、主控制器以及上位機等組成。

圖1 變頻器監控系統結構圖

通過監控系統可實現變頻器電流、溫度以及電壓等數據采集，并經CAN 總線將監測數據傳輸給上位機。上位機可動態顯示監測數據，并具備預警功能。各監測電路、上位機、主控制器等設備均有獨立電源，可提高監控系統各電路運行可靠性。

2 監控系統硬件及軟件結構

2.1 硬件結構

2.1.1 主控制器

主控制器主要用以對變頻器溫度、電流、電壓等快速監測，選用的主控制器型號為C8051F040 單片機。該單片機內部集成有CAN 控制器，可與CAN 總線連接實現數據傳輸，從而簡化數據傳輸方式，提高傳輸效率。主控制器可通過溫度、電流、電壓等監測電路掌握變頻器運行參數，并由CAN 總線將監測數據傳輸給上位機。上位機將獲取到的各類數據以曲線、表格等形式直觀顯示。

2.1.2 電流監測電路

電流監測電路可監測逆變、整流以及中間環節等電流，監測電路具體選擇型號LT58-S7/SP1 電流傳感器。該傳感器可實現直流、交流以及脈沖電流直接監測，并由15 V、直流電源供電。

電流監測電路輸出的電壓信號經過信號調理電路轉換后，將監測信號傳輸給上位機，從而實時顯示監測結果。

2.1.3 溫度監測電路

溫度監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。具體設計的溫度監測電路見下頁圖2 所示，其中差分運放電路主要由運算放大器U3、U4 組成；恒流源電路由電阻R8、R9 組成。通過差分運放電路、恒流源電路可將傳感器電阻變化信號轉換成電壓信號。熱電阻傳感器獲取到的電壓信號通過AD620 放大，并經由CAN 總線傳輸給上位機。

圖2 溫度監測電路

2.1.4 電壓監測電路

電壓監測電路可實現逆變、整流以及中間環節電壓等監測，選用傳感器為TBV10/25A，該傳感器額定工作電流為10 mA，原邊、副邊匝數比為1∶2.5。具體電壓監測電路如下頁圖3 所示。

圖3 電壓監測電路

2.2 監控軟件

監控軟件主要由上位機、下位機軟件構成，其中上位機軟件主要用以對監測完成后的數據進行統計、存儲及顯示；下位機軟件用以對監控數據采集、處理及傳輸等。

2.2.1 上位機軟件

上位機軟件主要由MCGS 組態軟件編制，該組態軟件具有功能強大、便于操作等優點，是工礦企業常用軟件開發平臺。依據MCGS 組態軟件編制上位機軟件并通過CAN 總線與下位機進行通信，可對下位機獲取到的各類監測數據進行分析、診斷、存儲以及查詢。同時用戶可遠程監測變頻器內電流、溫度、電壓等參數變化情況，提升監控系統可視化、自動化水平。上位機軟件結構框圖如圖4 所示。

圖4 上位機軟件結構框圖

2.2.2 下位機軟件

下位機軟件主要包括初始化程序、中斷程序，可實時獲取變頻器運行參數數據并將監測結果傳輸給上位機。其中初始化程序由系統初始化、A/D 初始化、I/O 初始化、CAN 初始化等組成；中斷程序由定時中斷、CAN 通信中斷等構成。具體下位機軟件結構框圖見圖5 所示。

圖5 下位機軟件結構框圖

3 現場測試分析

為了對文中設計變頻器監控系統運行實時性以及有效性進行分析，在山西某礦1506 綜采工作面采煤機變頻器上布置監控系統，用以對變頻器運行參數監測。采煤機配套使用的變頻器參數為：額定電流90 A、額定電壓AC380 V、額定功率45 kW?，F場應用后測試獲取到的變頻器溫度監測結果見表1所示。

表1 溫度參數

從監測結果可知，設計的變頻器監控系統自動監測溫度與手動測試溫度間測試結果相近，最大絕對誤差為0.7 ℃，誤差率最大為2.78%。監控系統測試精度較高，可滿足煤礦井下傳感器監測需要。

4 結語

變頻器是煤礦井下常用機電設備，用以為采煤機、刮板輸送機、帶式輸送機以及局部通風機等機電設備提供交流電源，變頻器運行可靠性以及運行效率直接影響井下生產。由于變頻器使用環境較為惡劣，存在粉塵、水以及高溫等不利影響因素，從而會在一定程度上影響變頻器運行可靠性。為此，文中設計一種變頻器運行監測系統，該系統通過電流、溫度、電壓監測電路對變頻器運行溫度、電壓以及電流等進行遠程監測，具有監測精度高以及結構簡單等優點。