山东宏河控股集团有限公司横河煤矿 山东济宁 273500
摘要：随着国家生产力的不断进步，煤矿机械的自动化程度不断提高，煤炭开采效率也逐渐升高，这一切都与电气自动化控制系统的引入密不可分。在煤矿井下的生产工程中，比如综采三机的集中控制，瓦斯含量的监测，风机与水泵等的控制都已经达到了较高的自动化程度，尤其是PLC控制器的应用，极大地简化了煤矿开采工作的流程，在提高工作效率的同时还增加了控制的精确度，提高了一定的安全性[3-4]。矿井综采工作面由于存在瓦斯、CO以及H2S等有害气体以及大量粉尘导致其生产环境相对恶劣。为优化综采工作面机电设备供电问题，将开关电源应用于工作面。本文分析开关电源工作面原理、软硬件设计等方面进行探讨。实践表明，开关电源能够为综采工作面提供稳定、安全的电压，实现设备供电远程控制功能。
关键词：煤矿开关电源远程控制机电设备自动化
1开关电源工作原理的分析
开关电源的设计原理为基于电子技术通过半导体等元器件控制开关的打开和关闭，从而确保电压能够稳定输出；此外，基于开关电源能够控制内部晶体管的开关。当晶体管导通时，电压低、电流较大；当晶体管闭合时，电压高、电流较小。在各类半导体元件的作用下可确保开关电源能够在损耗较低的情况下为机电设备提供多种规格的稳定电源。交流电压在整流、滤波作用下转化为直流电压。此时所得的直流电压中含有一定的脉动成分。将具有一定脉动成分的电压经高频交换器再次整流滤波操作后得出可供给机电设备的稳定直流电压。基于对开关电源工作原理分析的基础上，得出开关电源的设计总体思路如下：选用合适的高频交换器及滤波器等元器件对交流电压进行整流、滤波等操作。此外，还可通过上位机对电源实时输出的电压及电流波形进行显示，用户可实时操作开关电源实现对机电设备的远程控制。
2开关电源的设计
开关电源的设计主要包括有硬件设计和软件设计两部分。其中，硬件设计主要指的是开关电源中的输入电路、功率变换电路等电路及其中关键元器件的选型；软件设计指用户可通过上位机操作系统实现对机电设备的远程控制功能。
2.1开关电源的硬件设计
2.1.1输入电路的设计
输入电路即为交流电压输入系统中的路径。基于对开关电源工作原理分析研究的基础上，输入电路中需配置相应的滤波器和整流滤波电路。其中，滤波器的主要功能是消除输入交流电压内的电磁干扰。
2.1.2功率变换电路的设计
根据功率变换电路的功能要求，需为该电路配置相应规格的功率管、变压器以及控制芯片等。功率管的选型：功率管为半桥式逆变电路的核心元器件。因此，根据开关管所能承受的最高电压为输入电压的一半。为安全起见，一般取开关管所能承受的最高电压即为输入电压。设定开关管的最高电压为350V，经换算可得其对应的电流值为14A。结合上述计算结果，所选功率管的型号为GT60。变压器选型：根据生产需求，设定开关电源的可输出的最大功率值为1600W。结合经验及各类变压器的性能对比，最终选定变压器的型号EE55铁氧体磁芯比变压器。芯片的选型：控制芯片作为功率变换电路的核心处理器，基于控制芯片能够实现对半桥变换电路中功率开关管占空比的调节，并在相应功率管驱动电路的作用下，确保开关电源所输出的直流电压为稳定电压。本开关电源所选芯片的型号为KA3525。
2.1.3保护电路的设计
为提升开关电源为机电设备供电的稳定性，降低对机电设备的冲击，还需为开关电源配置欠压保护电路、过温保护电路以及过压保护电路等保护电路。开关电源中的各类保护电路均是基于LM324比较器对相应参数对比分析后，将对比结果传输至PWM控制器中达到对开关电源欠电压、过电压以及过温保护功能。
2.1.4单片机的选型
为了实现用户对矿井机电设备的远程控制，将开关电源与上位机之间基于相应通信功能实现数据传输。在数据传输过程中，单片机为数据的中转站不仅可以采集电源实时输出的电压值和电流值，并通过波形的形式显示于上位机上；还可将用户在上位机所设定电压值和电流值经单片机控制器传递至开关电源的控制端。鉴于工作面相对恶劣的生产环境以及可靠性的要求下，本开关电源所选择的单片机型号为STM32F107。
2.2开关电源的软件设计
开关电源的程序软件是实现其对电源实时输出电压监测、过压、欠压以及过温保护、控制开关电源输出电压值等功能的基础。根据实际生产需求及可靠性分析，设计网络中断程序流程图。以实现对开关电源的过压、欠压以及过温保护，从而确保开关电源在供电过程中的安全性和可靠性。系统在运行前，要利用软件对设备进行检验，当设备无故障后，系统启动运行。主程序主要由软件自检子程序、变频驱动子程序、故障预警子程序等组成。皮带机装有张紧装置与防撕裂装置，在变频驱动子程序运行前，应对皮带机进行动作保护处理。系统设有各个传感器组，包括速度传感器、温度传感器、跑偏传感器等，故障预警子程序负责检测设备运行状况，当某一状态量超过阙值时，报警装置启动。
3开关电源应用效果验证
1所设计的开关电源能够实现与上位机的数据传输。不仅可实时显示开关电源的实时输出电压值和电流值；还可根据用户需求控制开关电源的输出。2）所设计的开关电源为工作面机电设备所提升的电压值非常稳定，满足实际生产的需求。控制主要系统由CPU模块、数字量与模拟量输入输出模块和触摸屏等组成，与上位机之间采用工业以太网的方式实现通信。控制系统实现了主水泵的四个功能，包括控制功能、显示功能、报警功能与信息存储功能。控制功能是指水泵在无人看守的情况下，系统通过对井下水位与水压的检测，来实现对水位安全有效的调控，并且上位机可通过以太网的方式实现指令的输入，完成对系统的操作。显示功能是指系统通过触摸屏将井下的水位、压力值、温度与泵机工作情况显示出来，工作人员结合井下实际情
况通过触摸屏输入指令，实现系统控制。报警功能是指当井下水位或者其他工作参数超过系统限定值时，系统会向操作台及井上的上位机发出报警信号，保证工作人员及时处理维修。信息存储功能是指系统可记录泵机的工作运行记录，以及工人的操作过程。在控制系统软件程序编辑方面采用西门子公司生产的STEP7软件，具有人性化的操作界面，可采用梯形图进行程序编写，具有简单直观的优点。软件带有自检测功能，避免了人为操作失误导致对机器的破坏。
4结论
1）鉴于煤矿综采工作面生产环境恶劣、工作面距离长的特点，导致为工作面机电设备提供稳定、安全的电压为如今急需解决的问题。为此，基于电子电力技术及半导体技术所设计的开关电源可为矿井机电设备提供稳定电压。
2）所设计的矿井机电设备远程开关电源系统不仅可以实时监测并显示其输出的电压值和电流值，还可根据工作面生产需求设定特定、稳定的电压值和电流值，大大提升了用户对机电设备电压的远程控制能力，对提升综采工作面产煤效率及安全具有实际意义。
参考文献
[1]彭云.基于单片机的数控稳压开关电源研究[J].电子世界，2019（22）：38－39.
[2]臧政，朱智富，霍炜，等.基于DC－DC开关电源的梯次电池并联特性研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2019（4）：38－43.
[3]唐连雷，王海龙.5G网络基站电源配套改造方案探析[J].通信电源技术，2019，36（11）：237－238.
[4]王竞远，李建春，翟天祺，等.基于SG6841的反激式开关电源动态特性研究[J].自动化与仪器仪表，2019（11）：9－11.