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基于主从结构的3.3kV六组合开关测控系统的设计

张军  
【摘要】:本文研究的内容是国家科技支撑计划项目“煤炭安全高效开采智能组合电器关键技术”(2007BAB13B01)中的主要内容,是针对我国煤矿井下高产高效工作面电器控制技术智能化程度低、安全可靠性差、控制分散等问题提出的。随着高产高效工作面综采设备功率不断增大、工作电压不断提高,3.3kV工作电压等级已经得到广泛应用,对电气设备的可靠性和安全性提出了更高要求。目前,国内生产的以PLC为控制核心的3.3kV组合开关可靠性较高,在3.3kV电控设备国产化方面起到了积极的推动作用,但它只能进行直流采样,使得系统结构复杂、体积庞大、采样精度低并且实时性较差。国外已经开发出基于MCU的组合开关测控系统,大大提高了组合开关的性能,但进口设备价格昂贵、供货周期长、配件不易购买的局面制约着3.3kV高产高效工作面的进一步普及。因此,研究基于主从结构的3.3kV六组合开关具有重要的现实意义。 随着微机控制技术的发展,出现了许多新型微控制器,其运算速度快,可靠性高,具有PLC无法比拟的优点。本文将MCU应用到3.3kV组合开关中,设计了基于多CPU主从结构的3.3kV组合开关测控系统。本系统中的上、下级子系统并列运行,分工明确。上级子系统以单片机为CPU,完成键盘输入整定、系统状态参数显示和通讯等人机对话功能。下级子系统以DSP为CPU,完成了数据采集、数据处理、故障判别和保护等功能。开发了实验样机,在样机系统上进行了性能测试,各项指标均达到了设计要求,满足综采工作面安全、可靠、高效生产的要求。主要研究内容如下: 结合组合开关的国内外研究现状和发展趋势,制定了满足煤矿综采工作面负荷控制要求的组合开关总体方案,确定了系统技术指标,并选取了合适的主、从CPU及交流采样芯片 分析了井下负荷和电网漏电故障、电流型故障以及电压型故障的产生原因及其电气特征,并提出了相应的保护方法,为系统保护功能的实现提供了依据。 提出了基于闭锁型继电器的先导电路,完全克服了负荷自起动现象;设计了以高分辨率采样芯片CS5463为核心的交流采样系统,提高了测量的实时性和精度;选用XTR105温度-电流转换芯片设计的温度检测电路能有效克服铂电阻自身误差以及线路电阻引入的误差。 提出了彩色液晶屏加4x4矩阵键盘的人机通道模式,设计了友好的人机交互界面,增强了可操作性,缩短了发现和排除故障的时间,提高了生产效率。 根据系统要求,制定了上下级子系统之间以及上级子系统与液晶屏之间的通讯方式,实现了参量信息在测控系统内部的实时可靠传输。 采用模块化程序设计方法,编写了上、下级子系统应用程序,方便了系统调试和开发,有效地缩短了程序的扫描周期,提高了系统运行效率。 在实验室搭建了3.3kV组合开关测控系统实验平台,并进行了软、硬件联调。实验结果表明:该测控系统能够准确、快速、可靠地检测负荷及电网的各项故障,保护动作灵敏、可靠,人机交互性好,能够很好地满足煤矿井下安全生产的要求。


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