基于ARM的礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

雷振光

(西山煤電 東曲礦 機(jī)電科檢修隊(duì)， 山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦綜采面的增大和采區(qū)的擴(kuò)展，井下用電設(shè)備的負(fù)荷日益增大，尤其是綜采設(shè)備的裝機(jī)容量不斷提高，作為煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，井下低壓供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要性不言而喻。《煤礦安全規(guī)程》對(duì)礦用饋電開關(guān)保護(hù)裝置的功能性、選擇性、快速性和可靠性均做出了明確規(guī)定，現(xiàn)有饋電保護(hù)裝置已經(jīng)不能滿足要求，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM控制器的功能全面、動(dòng)作迅速和抗電磁干擾的礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)裝置。

1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)的低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置及其外圍設(shè)備的安裝示意圖如圖1所示。低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置包括保護(hù)器1和保護(hù)器2，是保護(hù)系統(tǒng)的核心控制器。如果被保護(hù)的線路發(fā)生某種故障，各項(xiàng)電參量通過電流互感器、零序電流互感器和電壓互感器采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給保護(hù)器，經(jīng)保護(hù)器處理后，發(fā)出跳閘信號(hào)，控制真空斷路器動(dòng)作，達(dá)到保護(hù)的目的。此外，系統(tǒng)通過一個(gè)變壓器取被保護(hù)線路兩相電源，作為保護(hù)器的供電電源。上位機(jī)是井下各分機(jī)的集中管理平臺(tái)，能夠?qū)φ麄€(gè)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。

保護(hù)裝置最主要的功能是對(duì)被保護(hù)線路發(fā)生的故障進(jìn)行保護(hù)。主控制器采用了ARM Cortex-M3高性能芯片，采用RS-485通信，為保護(hù)動(dòng)作的快速性節(jié)約了時(shí)間。本裝置主要的故障保護(hù)包括漏電保護(hù)、過流保護(hù)和過欠壓保護(hù)。漏電保護(hù)包括漏電閉鎖和選擇性漏電保護(hù)；過流保護(hù)包括對(duì)稱性過流保護(hù)(三相短路保護(hù)和超時(shí)過載保護(hù))和非對(duì)稱性過流保護(hù)(兩相短路保護(hù)、斷相保護(hù)和三相電流不平衡保護(hù))。

圖1 低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置及其外圍設(shè)備的安裝示意圖

在實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，保護(hù)裝置還可以根據(jù)井下具體線路情況的不同配置不同的參數(shù)，使其可以靈活應(yīng)用于總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)處。對(duì)于多條線路的復(fù)雜饋電系統(tǒng)，保護(hù)裝置可以通過通信功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高可靠性。此外保護(hù)裝置具有良好的人機(jī)交互平臺(tái)，保護(hù)器在線路正常狀態(tài)下可以通過液晶屏顯示線路的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可以通過LED燈提供報(bào)警信息，運(yùn)行人員可以通過按鍵設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。

2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

整套保護(hù)裝置系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路、電源電路、通信電路、信號(hào)處理電路和抗干擾電路等。

2.1 微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路

目前大部分礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置都采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制方案成本低，但是計(jì)算能力有限，集成度也較低，面對(duì)多功能的處理任務(wù)和實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，嵌入式處理器ARM更加具有優(yōu)勢(shì)。STM32F103是一款32位高性能處理器，且片內(nèi)具有2個(gè)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。除主控制器及其模數(shù)轉(zhuǎn)換器以外，外部電路包括開關(guān)量輸入電路、電網(wǎng)參數(shù)采集和處理電路、RS-485通信電路以及光電隔離電路等。STM32F103微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路原理框圖如圖2所示。

圖2 STM32F103微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路原理框圖

2.2 電源電路

穩(wěn)定的供電電源是保護(hù)裝置能夠穩(wěn)定工作的保障，因此在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)，除滿足各電壓等級(jí)的用電設(shè)備功率要求外，還應(yīng)該充分考慮電源之間的干擾，在各級(jí)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)計(jì)不同的濾波器以穩(wěn)定電壓。系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示，井下電網(wǎng)取電后，經(jīng)過一個(gè)降壓變壓器變換為24 V交流電，經(jīng)過一個(gè)整流電路后變成直流，然后通過一級(jí)DC/DC變換器得到12 V直流電，供繼電器使用，經(jīng)過兩個(gè)二級(jí)DC/DC變換器得

到24 V直流電和5 V直流電，分別供附加直流電源和液晶，5 V直流電經(jīng)三級(jí)DC/DC變換器得到3.3 V直流電，供ARM處理器工作。

圖3 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

2.3 通信電路

RS-485是一種在工控領(lǐng)域使用廣泛的通信技術(shù)，具有信號(hào)傳輸速率高、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，芯片內(nèi)部集成了差分接收器和平衡驅(qū)動(dòng)器的組合，大大提高了共模信號(hào)的抑制能力，總線具有多站功能。本保護(hù)裝置的通信芯片選用MAX485，該芯片接收器的靈敏度為200 mV，傳輸效率為2.5 Mb/s，接收器和驅(qū)動(dòng)器可接32個(gè)。圖4為設(shè)計(jì)的RS-485及其光耦電路原理圖，MAX485芯片通過光耦PC817和6N137與主控制器STM32F103連接，以達(dá)到防爆的目的。端口A、端口B是收發(fā)差分信號(hào)的引腳，當(dāng)Uab為+2 V～+6 V時(shí)表示邏輯1，Uab為-2 V～-6 V時(shí)表示邏輯0，抗干擾能力較強(qiáng)。

圖4 RS-485及其光耦電路原理圖

2.4 信號(hào)處理電路

保護(hù)裝置的信號(hào)處理電路是電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的入口，包括絕緣電阻信號(hào)、零序電壓電流信號(hào)。限于篇幅，簡(jiǎn)單介紹絕緣電阻的輸入電路，圖5為其電路圖。采用阻值10 kΩ功率2 W的電阻為采樣電阻，采樣電流經(jīng)過阻值2 MΩ的電阻限流，得到數(shù)百毫安的輸入信號(hào)。運(yùn)算放大器LM324M的作用是電壓跟隨，以提高電路的帶載能力。

2.5 抗干擾電路

本文在硬件設(shè)計(jì)上采用了各項(xiàng)抑制措施，包括鉗位保護(hù)、濾波和屏蔽等。主要的抗干擾部分有電源抗干擾設(shè)計(jì)、通信電路抗干擾設(shè)計(jì)和印刷電路板的布線設(shè)計(jì)。井下可能會(huì)發(fā)生的干擾有高頻脈沖、電網(wǎng)波動(dòng)和雷擊等，由于保護(hù)裝置的電源是通過變壓器取自井下配電站，且控制器對(duì)電磁干擾很敏感，惡劣的電源供電可能使得芯片誤動(dòng)作，因此設(shè)計(jì)了壓敏電阻、扼流圈以及雪崩二極管等抗干擾電路。通信電路主要采用前文提及的光電隔離芯片抑制高頻電磁波。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，走線布局合理，在功率較大的芯片電源接口處外加陶瓷電容濾波，模擬地和數(shù)字地分開防止相互影響，增加底線寬度以減小線路產(chǎn)生的電壓降。

圖5 絕緣電阻信號(hào)輸入電路

3 保護(hù)裝置軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、主控制器程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)、通訊軟件設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理算法等。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32F103是一款基于ARMv7架構(gòu)的嵌入式處理器，因此可以方便地移植開源嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II實(shí)時(shí)性好、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有運(yùn)行時(shí)間確定的多任務(wù)系統(tǒng)。圖6為軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序、中斷ISR、任務(wù)和基本應(yīng)用程序等組成。

圖6 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

在移植完成操作系統(tǒng)之后，設(shè)計(jì)所需執(zhí)行的各類任務(wù)，最后進(jìn)行具體程序函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計(jì)。中斷函數(shù)包括時(shí)鐘節(jié)拍中斷、故障中斷和其他中斷。API指的是基本應(yīng)用程序，包括算法函數(shù)、基本功能函數(shù)和庫函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序包括LCD驅(qū)動(dòng)、RTC驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、FLASH驅(qū)動(dòng)、RS-485驅(qū)動(dòng)和開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動(dòng)。

3.2 主控制器程序設(shè)計(jì)

圖7為主控制器的程序流程圖，程序開始時(shí)控制器STM32F103和操作系統(tǒng)μC/OS-II初始化，初始化完成后啟動(dòng)操作系統(tǒng)，然后啟動(dòng)硬件定時(shí)器中斷，創(chuàng)建所有任務(wù)并建立適當(dāng)?shù)亩褩：腿蝿?wù)優(yōu)先級(jí)，按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)開始調(diào)度各任務(wù)。

圖7 主控制器的程序流程

4 結(jié)論

本文結(jié)合井下低壓電網(wǎng)的生產(chǎn)實(shí)際和煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程，在原有礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款基于ARM處理器的新型低壓饋電保護(hù)裝置。新型低壓饋電開關(guān)具有保護(hù)功能齊備、動(dòng)作迅速、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，既可以用于總饋電開關(guān)保護(hù)，又可以應(yīng)用于分饋電開關(guān)保護(hù)，實(shí)際使用場(chǎng)合靈活，對(duì)提升煤礦井下用電安全具有重要的意義。