基于ARM處理器的礦井供電監(jiān)控分站設(shè)計(jì)應(yīng)用

趙彥峰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引 言

礦井供電系統(tǒng)為井下生產(chǎn)工作的動(dòng)力源頭，由于井下環(huán)境復(fù)雜，空間狹小，供電設(shè)備工作不穩(wěn)定，故障發(fā)生時(shí)不容易排查，對(duì)煤礦供電安全帶來(lái)極大的威脅[1-2]。近年來(lái)，煤礦供電監(jiān)控技術(shù)得到了革新與改進(jìn)，自動(dòng)化水平逐漸提高，供電系統(tǒng)誤操作與信息傳輸錯(cuò)誤等問(wèn)題的發(fā)生概率不斷降低，保障了礦井供電網(wǎng)絡(luò)的安全與穩(wěn)定[3-4]。目前，大多數(shù)煤礦采用微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，保護(hù)方式與技術(shù)已相對(duì)成熟，達(dá)到國(guó)內(nèi)外一流水平，但是設(shè)備之間信息共享不完善，監(jiān)控分站僅完成信息中轉(zhuǎn)功能，缺乏故障判斷、數(shù)據(jù)分析與人機(jī)交互等功能[5-6]。因此，設(shè)計(jì)一種智能監(jiān)控分站，完善監(jiān)控功能，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 電力監(jiān)控系統(tǒng)組成

供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)按照功能與位置特點(diǎn)可以分為地面監(jiān)控層、通訊層與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 供電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

地面監(jiān)控層指地面的監(jiān)控中心，包括上位機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)、電源等設(shè)備，基于Windows系統(tǒng)，配置組態(tài)軟件滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息共享的需求。通訊層主要有以太網(wǎng)交換機(jī)與監(jiān)控分站組成，其中監(jiān)控分站安裝于各變電所，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、地面監(jiān)控中心與各監(jiān)控分站之間的通信連接，監(jiān)控分站與地面通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，分站與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)信息傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層為系統(tǒng)的最底層，包括各配電柜的配電開(kāi)關(guān)、高低壓保護(hù)裝置與各類(lèi)傳感器設(shè)備等，負(fù)責(zé)供電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與保護(hù)等功能。

1.2 監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)功能

供電監(jiān)控分站應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)報(bào)警與信息存儲(chǔ)等功能，具體如下：

(1) 參數(shù)采集功能，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備層的各類(lèi)傳感器采集供電網(wǎng)絡(luò)中各回路的電壓、電流、功率等參數(shù)，通過(guò)串口通訊與以太網(wǎng)等方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控分站與地面監(jiān)控中心。

(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，監(jiān)控分站利用處理器的計(jì)算能力，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷供電網(wǎng)絡(luò)是否故障。

(3) 報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到參數(shù)超限后，及時(shí)控制保護(hù)器動(dòng)作，切斷故障回路，將故障信息自動(dòng)記錄，并顯示于交互窗口。

(4) 信息存儲(chǔ)功能，煤礦供電網(wǎng)絡(luò)24 h工作，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與執(zhí)行記錄較多，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)暫存功能，將1個(gè)月以來(lái)的數(shù)據(jù)保存到系統(tǒng)的存儲(chǔ)區(qū)，超過(guò)一個(gè)月的數(shù)據(jù)存放于云端服務(wù)器，在查詢(xún)記錄的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)報(bào)表與曲線的方式對(duì)故障數(shù)據(jù)加以區(qū)分表示。

2 智能監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

2.1 分站整體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)監(jiān)控分站只具備信息中轉(zhuǎn)功能，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、RS485參數(shù)采集模塊與以太網(wǎng)交換機(jī)模塊等。

圖2 監(jiān)控分站整體結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控分站通過(guò)RS485參數(shù)采集模塊與設(shè)備層的智能傳感器等設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的信息傳輸功能，利用主控模塊對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，判斷各電網(wǎng)回路是否發(fā)生故障及故障類(lèi)型，通過(guò)繼電輸出模塊控制各保護(hù)裝置動(dòng)作，將故障回路的切斷，通過(guò)顯示模塊可在井下實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，保證系統(tǒng)就地控制的即時(shí)性與可靠性，通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控分站與地面監(jiān)控中心的組網(wǎng)功能，保證信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性與準(zhǔn)確度。

2.2 分站主控模塊選型

主控模塊包括電源單元與處理器單元，是監(jiān)控分站的核心模塊，完成與參數(shù)采集模塊的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的邏輯判斷與保護(hù)控制。處理器單元需要處理數(shù)據(jù)，為硬件電路提供脈沖與時(shí)鐘信號(hào)，接收與執(zhí)行上位機(jī)指令，監(jiān)測(cè)各終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。本文選擇基于ARM控制器的STM32F429VGT6處理器，采用哈弗結(jié)構(gòu)，主頻169 MHz，具有高速數(shù)據(jù)處理能力，功能集成度高的優(yōu)點(diǎn)，較好的適應(yīng)煤礦復(fù)雜工況環(huán)境[7-8]。電源單元為分站中的處理器單元、顯示模塊及通訊模塊等供電，電源單元選用K7805模塊與AMS1117-3.3芯片，分別輸出5 V與3.3 V的直流電源。

2.3 分站外圍模塊設(shè)計(jì)

RS485參數(shù)采集模塊為分站的主要的數(shù)據(jù)輸入模塊，直接對(duì)接傳感器設(shè)備，傳輸電網(wǎng)參數(shù)，并向各保護(hù)器執(zhí)行單元發(fā)送控制指令。RS485接口電路如圖3所示。

圖3 RS485接口電路

存儲(chǔ)模塊包括EEPROM存儲(chǔ)模塊與SD存儲(chǔ)模塊，前者用于存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置與控制指令，保證信息不會(huì)發(fā)生丟失，后者用于暫存分站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保通訊故障時(shí)分站依舊可以工作。EEPROM的存儲(chǔ)電路如圖4所示，采用AT24C512芯片，具有65 535個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)空間，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

圖4 EEPROM存儲(chǔ)電路

以太網(wǎng)交換機(jī)模塊用于構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，基于TCP/IP協(xié)議可兼容不同廠商的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與信息共享。系統(tǒng)硬件協(xié)議芯片由CH395Q組成，交換機(jī)采用KJ660，配備多個(gè)千兆光口組建環(huán)網(wǎng)。

3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)通常會(huì)受到外界環(huán)境干擾，如浪涌干擾、脈沖干擾與電磁干擾等，大型電氣設(shè)備、電纜與通信設(shè)備等都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度造成威脅。為了提高監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，不僅需要在硬件選型時(shí)注意設(shè)備的抗干擾性能，還需在軟件方面提高程序的穩(wěn)定性。

本系統(tǒng)采用自診斷與自評(píng)估程序，智能檢查分站、傳感器及其他終端設(shè)備的功能是否完整，通訊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行是否順暢，發(fā)現(xiàn)異常后自動(dòng)報(bào)警，減少事故造成的危害。系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控程序?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，超過(guò)閾值則利用程序指針跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤程序，進(jìn)行修改。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生死循環(huán)故障時(shí)，利用“看門(mén)狗”程序復(fù)位重啟，確保系統(tǒng)可以重新投入運(yùn)行。

4 應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)前，需要進(jìn)行一系列的調(diào)試與檢測(cè)。調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)串口通信向監(jiān)控分站發(fā)送一系列數(shù)據(jù)指令，在靜電放電干擾、電磁輻射干擾、快速電脈沖干擾與浪涌干擾等環(huán)境下，統(tǒng)計(jì)監(jiān)控分站接收到數(shù)據(jù)指令的準(zhǔn)確度。分站的抗干擾調(diào)試結(jié)果如圖5所示，在靜電放電干擾下，發(fā)送數(shù)據(jù)指令10 000條，分站準(zhǔn)確接收指令9 839條，準(zhǔn)確度達(dá)98.39%。通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了監(jiān)控分站在井下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。由調(diào)試結(jié)果可知，監(jiān)控分站在靜電與快速脈沖干擾下展現(xiàn)出較強(qiáng)大抗干擾能力，符合國(guó)家對(duì)煤礦設(shè)備的安全要求。

圖5 監(jiān)控分站抗干擾能力調(diào)試

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種礦井供電監(jiān)控分站，通過(guò)以太網(wǎng)與RS485串口通信組建了系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，保證了各設(shè)備之間的信息共享效率，并對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行可靠性選型，對(duì)軟件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)控分站的抗干擾性能，有效提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，保證了故障診斷的可靠性。