矿用防爆变频器监控系统的设计

程 刚

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司生活服务公司高阳管理中心， 山西 孝义 032300）

引言

先进的机电设备投入使用显著提升了矿井采掘生产效益，现阶段机电设备一般采用变频器控制[1-2]。矿井井下环境恶劣，在粉尘、有毒有害气体、高温等影响下，变频器在恶劣环境中长时间工作会出现电流、电压过高等问题，容易导致变频器发热，从而给变频器高效使用带来制约[3-6]。文中以综采工作面采煤机变频器为研究对象，设计监控系统实时监测变频器工作状态，可在一定程度上提升变频器运行可靠性。

1 变频器监控系统结构方案

具体提出的采煤机变频器监控系统结构方案见图1 所示，监控系统主要结构由电源电路，温度、电流、电压监测电路、CAN 总线通信接口电路、主控制器以及上位机等组成。

图1 变频器监控系统结构图

通过监控系统可实现变频器电流、温度以及电压等数据采集，并经CAN 总线将监测数据传输给上位机。上位机可动态显示监测数据，并具备预警功能。各监测电路、上位机、主控制器等设备均有独立电源，可提高监控系统各电路运行可靠性。

2 监控系统硬件及软件结构

2.1 硬件结构

2.1.1 主控制器

主控制器主要用以对变频器温度、电流、电压等快速监测，选用的主控制器型号为C8051F040 单片机。该单片机内部集成有CAN 控制器，可与CAN 总线连接实现数据传输，从而简化数据传输方式，提高传输效率。主控制器可通过温度、电流、电压等监测电路掌握变频器运行参数，并由CAN 总线将监测数据传输给上位机。上位机将获取到的各类数据以曲线、表格等形式直观显示。

2.1.2 电流监测电路

电流监测电路可监测逆变、整流以及中间环节等电流，监测电路具体选择型号LT58-S7/SP1 电流传感器。该传感器可实现直流、交流以及脉冲电流直接监测，并由15 V、直流电源供电。

电流监测电路输出的电压信号经过信号调理电路转换后，将监测信号传输给上位机，从而实时显示监测结果。

2.1.3 温度监测电路

温度监测电路选用热电阻温度传感器PT100，并将传感器紧密布置到器逆变器散热片上。具体设计的温度监测电路见下页图2 所示，其中差分运放电路主要由运算放大器U3、U4 组成；恒流源电路由电阻R8、R9 组成。通过差分运放电路、恒流源电路可将传感器电阻变化信号转换成电压信号。热电阻传感器获取到的电压信号通过AD620 放大，并经由CAN 总线传输给上位机。

图2 温度监测电路

2.1.4 电压监测电路

电压监测电路可实现逆变、整流以及中间环节电压等监测，选用传感器为TBV10/25A，该传感器额定工作电流为10 mA，原边、副边匝数比为1∶2.5。具体电压监测电路如下页图3 所示。

图3 电压监测电路

2.2 监控软件

监控软件主要由上位机、下位机软件构成，其中上位机软件主要用以对监测完成后的数据进行统计、存储及显示；下位机软件用以对监控数据采集、处理及传输等。

2.2.1 上位机软件

上位机软件主要由MCGS 组态软件编制，该组态软件具有功能强大、便于操作等优点，是工矿企业常用软件开发平台。依据MCGS 组态软件编制上位机软件并通过CAN 总线与下位机进行通信，可对下位机获取到的各类监测数据进行分析、诊断、存储以及查询。同时用户可远程监测变频器内电流、温度、电压等参数变化情况，提升监控系统可视化、自动化水平。上位机软件结构框图如图4 所示。

图4 上位机软件结构框图

2.2.2 下位机软件

下位机软件主要包括初始化程序、中断程序，可实时获取变频器运行参数数据并将监测结果传输给上位机。其中初始化程序由系统初始化、A/D 初始化、I/O 初始化、CAN 初始化等组成；中断程序由定时中断、CAN 通信中断等构成。具体下位机软件结构框图见图5 所示。

图5 下位机软件结构框图

3 现场测试分析

为了对文中设计变频器监控系统运行实时性以及有效性进行分析，在山西某矿1506 综采工作面采煤机变频器上布置监控系统，用以对变频器运行参数监测。采煤机配套使用的变频器参数为：额定电流90 A、额定电压AC380 V、额定功率45 kW。现场应用后测试获取到的变频器温度监测结果见表1所示。

表1 温度参数

从监测结果可知，设计的变频器监控系统自动监测温度与手动测试温度间测试结果相近，最大绝对误差为0.7 ℃，误差率最大为2.78%。监控系统测试精度较高，可满足煤矿井下传感器监测需要。

4 结语

变频器是煤矿井下常用机电设备，用以为采煤机、刮板输送机、带式输送机以及局部通风机等机电设备提供交流电源，变频器运行可靠性以及运行效率直接影响井下生产。由于变频器使用环境较为恶劣，存在粉尘、水以及高温等不利影响因素，从而会在一定程度上影响变频器运行可靠性。为此，文中设计一种变频器运行监测系统，该系统通过电流、温度、电压监测电路对变频器运行温度、电压以及电流等进行远程监测，具有监测精度高以及结构简单等优点。