電源一體化區(qū)域滅火物聯(lián)網(wǎng)光口分站

孫曉東，劉永革

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學(xué)研究所有限公司，遼寧 沈陽110011；4.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山063018）

區(qū)域自動噴粉滅火抑爆系統(tǒng)將傳統(tǒng)的煤礦被動滅火抑爆轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃涌焖贉缁鹨直?，達到良好的滅火抑爆效果[1]；礦用區(qū)域自動噴粉滅火裝置是煤科集團沈陽研究院有限公司于2014 年國內(nèi)首次申請煤安認證的產(chǎn)品。

為解決目前市場上區(qū)域滅火類產(chǎn)品現(xiàn)場工人在施工及維修維護設(shè)備過程繁瑣，解決工人需要定期安排巡檢人員對噴粉瓶檢查是否漏氣問題，解決煤礦對電源、分站、交換機多單機產(chǎn)品種類維護難問題[2]。設(shè)計一款電源一體化區(qū)域滅火物聯(lián)網(wǎng)光口分站，一體化設(shè)計實現(xiàn)區(qū)域滅火小型集成化、結(jié)合MESH 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備巡檢人員佩戴的監(jiān)控設(shè)備信息上傳以及巡檢時設(shè)備異常報警提醒、結(jié)合網(wǎng)口、光口設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接連如環(huán)網(wǎng)[3]，解決目前現(xiàn)場多以電源、分站、交換機的方式進行復(fù)雜上傳問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站架構(gòu)架構(gòu)如圖1，自診斷電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站核心控制器采用STM32F429 單片機，主要用來對傳感器進行輪詢采集和人機交互及數(shù)據(jù)上傳。由于區(qū)域滅火分站所連接的傳感器均在10 m 以內(nèi)進行連接，為了兼容老版本區(qū)域滅火且區(qū)域滅火聯(lián)動機械設(shè)備目前多為無源觸點方式，為了提高火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)時間，因此還不能像煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)一樣進行全數(shù)字化設(shè)計。

圖1 電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站架構(gòu)架構(gòu)Fig.1 Architecture of power supply integrated regional fire network outlet substation

圖1 中總線量傳感器主要為煙霧傳感器、一氧化碳傳感器，采用RS485 接口，ModBus 協(xié)議；模擬量傳感器主要為電流型壓力傳感器；開關(guān)量傳感器主要為火焰?zhèn)鞲衅?，因火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧骓憫?yīng)時間越快，噴粉滅火越及時，因此火焰?zhèn)鞲衅魅布娐吩O(shè)計，避免單片機處理，提高了噴粉響應(yīng)速度。

2 關(guān)鍵技術(shù)

電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站原理圖如圖2。

2.1 模擬量信號隔離抗干擾

圖2 電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站電路原理圖中T1部分為雙路模擬信號隔離電路[4]。圖中HN1的1 腳、2 腳為隔離信號輸入，當(dāng)輸入信號為4～20 mA 電流型經(jīng)電阻IV 變換后點亮輸入發(fā)光管，輸入信號大小與流過發(fā)光管電流大小成比例關(guān)系，發(fā)光管發(fā)出的光會在3 腳和4 腳的發(fā)光管上感應(yīng)出正比于1 腳與2 腳發(fā)光管的電流，在5 腳和6 腳感應(yīng)出正比于1 腳和2 腳光強度的電流。

電路中U1在信號輸入處加入電壓跟隨設(shè)計，這樣可以降低阻抗，避免了后級電路對輸入信號的影響。電路中HN1的前半部分及運放U1和后半部分及運放U2采用隔離供電。這樣可以阻斷傳感器到單片機部分的干擾。圖中RK2電阻起到限流作用，選220 Ω。隔離信號輸出與輸入放大關(guān)系由傳輸增益K、RK4和RK52 個電阻取值決定，分析如下：

電路中假設(shè)輸入電流經(jīng)RK1電阻進行I-U 變換后電壓為U1, 根據(jù)虛短原則流過HN1的3 腳與4腳反饋電流If為：

運放U2輸出的電壓設(shè)定為U2，對于運放U2由虛斷法則可得U2為：

式中：I0為為HN1第5 腳和第6 腳感應(yīng)出正比于1 腳和2 腳的LED 發(fā)光強度的感應(yīng)電流。

由于芯片HN1傳輸增益K 器件制造出來即固定，約為1。

因此：

取電阻值RK5=RK4=100 kΩ 可得

即實現(xiàn)模擬信號一比一隔離傳輸[5]。

2.2 開關(guān)量及通訊隔離電路

圖2 電路原理圖中T6為光耦無源輸出節(jié)點，用于異地常開常閉聯(lián)動，圖中當(dāng)系統(tǒng)上電后，核心控制器U5的52 腳為低電平，此時K7光耦打開，53 腳處于高電平，K8光耦處于關(guān)閉狀態(tài)，此時J6端組合為常開常閉觸點。

T7部分為485 隔離電路。光耦GL3為485 收發(fā)控制隔離，GL1為發(fā)射隔離，GL2為接收隔離。光耦兩端采用隔離后的電源進行供電。

T3部分為光耦輸入隔離部分，J1、J2、J3為火焰?zhèn)鞲衅鬏斎虢涌凇鞲衅麟娫床捎肨2中BA1隔離后的電源進行供電，這樣設(shè)計保障了分站電路的健壯性。當(dāng)有外部火焰觸發(fā)時，K1、K2、K3導(dǎo)通，對應(yīng)單片機引腳輸入高電平則認為對應(yīng)火焰?zhèn)鞲衅饔谢?。若不考慮成本，也可選用磁隔離進行設(shè)計。

2.3 電源一體化供電策略

圖2 中T2部分電路為一體化電源設(shè)計，變壓器T1采用自適應(yīng)變壓器[6]，其輸入電壓為90～900 VAC，經(jīng)本安電源保護模塊BA2后變?yōu)橹绷?8 V 為電路進行供電。分站采用全隔離設(shè)計，在隔離后的芯片供電上多采用隔離電源方案。圖中BA1隔離后主要為火焰?zhèn)鞲衅?、壓力傳感器[7]進行供電。BG1隔離后的電源芯片主要為網(wǎng)口及通訊隔離后電路進行供電。

2.4 網(wǎng)光口

網(wǎng)口電路采用W5300 芯片，其與核心控制器采用總線方式對其寄存器進行配置。配置過程為上電初始化、通用寄存器配置、socket 寄存器配置。分站上電后，W5300 第66 腳拉低3 μs 后恢復(fù)高電平持續(xù)15 ms，保證鎖相環(huán)穩(wěn)定后對寄存器進行配置。

圖2 電源一體化區(qū)域滅火網(wǎng)口分站原理圖Fig.2 Schematic diagram of fire-fighting net outlet sub-station in power integration area

本機端口號設(shè)置通過端口寄存器里面的SO_PORTR 進行設(shè)置，通訊協(xié)議通過模式寄存器下的S0_MR 中P3-P0 進行設(shè)置。然后對控制寄存器S0_CR 通過置高開執(zhí)行打開命令，此時若Socket0 寄存器中的S0_SSR 變?yōu)?x13，則初始化完成[8]。繼續(xù)對S0_CR 發(fā)送監(jiān)聽指令0X02，此時若S0_SSR 狀態(tài)變?yōu)楸O(jiān)聽0x14，則執(zhí)行完偵聽任務(wù)。W5300 設(shè)置為TCP 服務(wù)器；最后等待S0_SSR 改變?yōu)镾OCK_ESTABLISHED（0x17），若S0_SSR 變?yōu)轭A(yù)期值，則建立了Socket0 連接，可以進行數(shù)據(jù)通信[9]。

為了實現(xiàn)對外光口進行數(shù)據(jù)傳輸，采用市場上常用的2 光3 電模塊，實現(xiàn)電口轉(zhuǎn)光口拓展。圖中U5的92、93 引腳用于連接mesh 模塊，通過串口和MESH 網(wǎng)口進行連接，當(dāng)有手表或支持mesh 的巡檢設(shè)備接入時，可以預(yù)警感知設(shè)備信息，實現(xiàn)物聯(lián)。

2.5 分站軟件

程序流程圖如圖3。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

系統(tǒng)軟件采用FreeRTOS，F(xiàn)reeRTOS 操作系統(tǒng)相比其他商業(yè)收費系統(tǒng)比完全免費。操作系統(tǒng)且具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點。通過操作系統(tǒng)可以合理高效的利用CPU 資源，保障系統(tǒng)運行的可靠性。FreeRTOS 是一個迷你的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。主要包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可滿足電源一體化區(qū)域滅火物聯(lián)網(wǎng)光口分站設(shè)計。

3 結(jié) 語

設(shè)計了一款電源一體化區(qū)域滅火物聯(lián)網(wǎng)光分站，實現(xiàn)了分站全隔離信息采集，提高了整體硬件設(shè)計的健壯性。將電源和交換機與分站集成在一起，一體化設(shè)計降低了區(qū)域滅火維護難度，可集中監(jiān)控，一體化方案也適用于小型煤礦的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。相比市場上其他區(qū)域滅火類產(chǎn)品將電源、分站、交換機組合方式更具有施工維護簡單、集成化高、可擴展性強，使用維護安裝方便等特點。提高了產(chǎn)品性能同時降低維護復(fù)雜度，降本增效，更具有實用性。