基于MSP430 控制的礦用低壓開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)的研究

呼守信，程玉軍

（中煤科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

煤礦井下供電系統(tǒng)的發(fā)展與采掘技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)，隨著我國(guó)煤礦井下采掘方式由機(jī)采發(fā)展到綜采機(jī)械化采煤，煤礦井下使用的電氣設(shè)備越來(lái)越多，而電動(dòng)機(jī)是煤礦井下生產(chǎn)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置之一，它是采區(qū)供電系統(tǒng)的重要組成部分，它的動(dòng)作可靠性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率，因此開(kāi)發(fā)研制高性能的電動(dòng)機(jī)保護(hù)和控制系統(tǒng)對(duì)提高礦井供電系統(tǒng)的可靠性、安全性、連續(xù)性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本測(cè)控系統(tǒng)適用于井下1140V/660V 供電系統(tǒng)中額定電流在20～320A 的異步電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)。采用技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉、可靠性高的MSP430，配以相應(yīng)的外圍接口及信號(hào)處理電路，在模塊化軟件的支持下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的就地/遠(yuǎn)方、程序控制功能，完成對(duì)所控制電動(dòng)機(jī)的短路、斷相、過(guò)載、過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓以及漏電閉鎖保護(hù)等多種保護(hù)功能，具有選擇運(yùn)行方式和相應(yīng)參數(shù)的功能，并采用液晶顯示其工作狀態(tài)及參數(shù)，便于生產(chǎn)管理自動(dòng)化，適合于現(xiàn)代化礦井的需求。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)采用TI 系列的MSP430 單片機(jī)作為中央控制單元，這是因?yàn)樵?6 位單片機(jī)中，MSP430 技術(shù)成熟，功能較強(qiáng)，價(jià)格低廉，性能價(jià)格比高，而且采用CHMOS工藝，具有低功耗、電源范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

（2）信號(hào)的檢測(cè)、比較、處理由軟件完成，簡(jiǎn)化了硬件電路、減少了中間環(huán)節(jié)的故障，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

（3）先導(dǎo)控制電路設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型，正常工作及短路時(shí)產(chǎn)生的電流和電壓均不會(huì)引起火花點(diǎn)燃，從而提高了系統(tǒng)工作的安全性。

（4）采用KY 系列智能液晶顯示終端，給工作人員提供了一個(gè)良好的人機(jī)界面。

1.2 系統(tǒng)的主要任務(wù)

（1）確定控制方式及相應(yīng)參數(shù)，并以此來(lái)完成相應(yīng)的控制功能。

（2）從數(shù)據(jù)采集單元中讀取數(shù)據(jù)，按照一定的算法進(jìn)行計(jì)算，與給定值比較，完成各種保護(hù)功能。

（3）控制液晶顯示系統(tǒng)，正常時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，故障時(shí)顯示故障類型及參數(shù)。

2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成及各部分的功能原理

2.1 主要功能模塊工作原理

硬件組成框圖如圖1所示。該測(cè)控系統(tǒng)主要由電源模塊、本安先導(dǎo)控制模塊、信號(hào)采集處理和執(zhí)行模塊、拔碼盤(pán)輸入與液晶顯示模塊等四部分組成。

（1）電源模塊。控制電源變壓器的一次側(cè)繞組帶中心抽頭，可接于660V 電壓等級(jí)，它的二次側(cè)有多種單獨(dú)繞組，分別向合閘電路、中間繼電器、穩(wěn)壓電源+5V、+15V、+24V（即信號(hào)接收、采集、處理與結(jié)果輸出電路部分所需要的直流電源）供電。

（2）本安先導(dǎo)控制模塊。該模塊由本安電源、中間繼電器、遠(yuǎn)控、近控和程序控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等組成。完成起動(dòng)器在被保護(hù)范圍內(nèi)一切完好的情況下（無(wú)漏電且整定正確）各種控制方式的一級(jí)啟動(dòng)。本安先導(dǎo)電路圖2所示。

圖中本安先導(dǎo)電路由兩部分組成，其中上半部分為本安先導(dǎo)信號(hào)產(chǎn)生電路，下半部分為先導(dǎo)信號(hào)處理電路。當(dāng)遠(yuǎn)控按鈕SA 閉合時(shí)，信號(hào)電壓小于比較電壓，運(yùn)算放大器輸出為低電平，繼電器K 吸合，本安先導(dǎo)接通，主電路允許合閘。

當(dāng)遠(yuǎn)控電纜在b點(diǎn)接地時(shí)，由圖2 可知它將直流12V 經(jīng)R3 接地，在此情況下信號(hào)電壓大于比較電壓，K1 釋放，主電路斷開(kāi)，不允許合閘。在遠(yuǎn)控電纜K2-a段和K3-b 段短接時(shí)，電路產(chǎn)生的電流完全是交流電流，此時(shí)K1 釋放，主電路斷開(kāi)，起到控制線路短路保護(hù)的作用。當(dāng)遠(yuǎn)控電纜上某一處斷路，則R1、R2 上無(wú)直流電壓信號(hào)，信號(hào)電壓大于比較電壓，運(yùn)算放大器輸出為高電平，K1 釋放，主電路斷開(kāi)，起到控制線路斷路保護(hù)的作用。

由上述分析可知，電路正常工作中，無(wú)論遠(yuǎn)控電纜發(fā)生短接、斷路等故障時(shí)，主電路均會(huì)自動(dòng)跳閘，保證故障停機(jī)；在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電路不會(huì)因?yàn)楸景搽娐坊蚩刂凭€發(fā)生故障產(chǎn)生自起動(dòng)現(xiàn)象。徹底克服了保護(hù)裝置“拒動(dòng)”、“誤動(dòng)” 的缺陷。

2.2 信號(hào)采集處理和執(zhí)行模塊

該模塊指的是獲取信號(hào)、轉(zhuǎn)換信號(hào)、單片機(jī)采集處理以及結(jié)果輸出。模擬信號(hào)經(jīng)V/F 轉(zhuǎn)換、光電隔離、多路轉(zhuǎn)換器供單片機(jī)處理。數(shù)字量信號(hào)經(jīng)光電隔離后由單片機(jī)處理。所完成的保護(hù)功能是在送電之前，進(jìn)行漏電檢測(cè)和判斷整定值（包括整定電流、短路倍數(shù)及程控延時(shí)）是否正確；送電后，線路和設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，能實(shí)施短路、斷相、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、瓦斯超限及點(diǎn)動(dòng)超限等多種保護(hù)。以下分別闡述這些功能實(shí)現(xiàn)的電路。

（1）漏電閉鎖檢測(cè)。采用附加直流電源，用-40V 電源作為直流檢測(cè)電源，其動(dòng)作電阻值在660V 和1140V分別是22kΩ 和40kΩ。電路原理如圖3所示。

（2）MSP430 單片機(jī)模塊。該模塊由MSP430、地址鎖存器74LS373、輸入輸出接口電路、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、看門(mén)狗電路、復(fù)位電路等組成。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在程序的指揮下完成各種信號(hào)的檢測(cè)、分析處理和輸出結(jié)果。

（3）負(fù)序信號(hào)檢測(cè)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相和不對(duì)稱運(yùn)行故障時(shí)，會(huì)有負(fù)序電流產(chǎn)生，這部分電路由電流互感器、I—U 轉(zhuǎn)換、移相疊加后向信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)提供電壓信號(hào)。負(fù)序信號(hào)的檢測(cè)原理框圖如圖4所示。

圖4 負(fù)序檢測(cè)原理圖Fig.4 Negative sequence detection principle diagram

（4）相敏檢測(cè)保護(hù)。電網(wǎng)的對(duì)稱短路采用相敏檢測(cè)保護(hù)原理，硬件電路由三相交流電壓相序的邏輯判別及其轉(zhuǎn)換、相位檢測(cè)電路和幅值檢測(cè)電路三部分組成。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流往往較大，一般在5～8 倍的電機(jī)額定電流，可是起動(dòng)時(shí)功率因數(shù)卻較高，接近于1。由此可見(jiàn)，同樣出現(xiàn)峰值電流，但功率因數(shù)卻明顯不同，這樣通過(guò)檢測(cè)電流信號(hào)幅值的大小和系統(tǒng)電壓、電流的相位差即功率因數(shù)，就可以有效地將電機(jī)起動(dòng)電流與短路電流分開(kāi)來(lái)，短路保護(hù)，短路保護(hù)可靠性得到提高，這就是相敏保護(hù)的原理。

（5）過(guò)載保護(hù)。過(guò)載保護(hù)是反應(yīng)被保護(hù)設(shè)備線路電流大小的，利用電流互感器，通過(guò)檢測(cè)電流幅值的大小，根據(jù)設(shè)定過(guò)載倍數(shù)來(lái)確定動(dòng)作時(shí)限，進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。

（6）過(guò)壓及欠壓保護(hù)。欠壓和穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓采用鑒幅式保護(hù)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。暫態(tài)過(guò)電壓保護(hù)采用RC 阻容吸收裝置，RC 裝置內(nèi)的電容可以緩減過(guò)電壓上升陡度，又可降低負(fù)載電路的整體波阻抗，因而降低了過(guò)電壓幅值，電阻的作用是消耗能量，衰減高頻電流，形不成高頻電流零點(diǎn)，使得高頻電弧向工頻電弧轉(zhuǎn)化，有效地防止了多次重燃引起的電壓升級(jí)。

（7）執(zhí)行電路。跳合閘控制電路的任務(wù)是控制真空接觸器的斷開(kāi)與閉合。本系統(tǒng)采用220V 作為真空接觸器的電壓，由于開(kāi)關(guān)電壓較高，采用中間繼電器作為過(guò)渡。

2.3 整定值輸入和液晶顯示模塊

（1）整定值輸入。輸入的整定值包括整定電流和短路倍數(shù)。是由四位BCD 拔碼盤(pán)讀入的。

（2）液晶顯示。本系統(tǒng)在顯示方面采用液晶顯示，實(shí)現(xiàn)顯示漢字化，給井下工作人員創(chuàng)造了一個(gè)簡(jiǎn)單而全新的人機(jī)界面。系統(tǒng)采用了KY 系列的智能液晶顯示終端，它與單片機(jī)接口很簡(jiǎn)單，通過(guò)單片機(jī)的兩根I/O 線即可。在系統(tǒng)正常工作時(shí)循環(huán)顯示系統(tǒng)工作電壓及工作電流，在系統(tǒng)故障時(shí)顯示故障狀態(tài)和故障參數(shù)，方便工作人員維護(hù)。

3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

主控模塊即主程序，它是整個(gè)系統(tǒng)軟件的 “總指揮”，通過(guò)對(duì)各功能模塊的合理調(diào)用完成參數(shù)的檢測(cè)、分析、判斷，從而實(shí)現(xiàn)各種控制功能。

3.2 初始化模塊

初始化模塊的作用是對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行初始化，需要初始化的對(duì)象有內(nèi)部RAM、I/O 口、工作寄存器、堆棧指針、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)及外部I/O 口和外部RAM 等。

3.3 額定參數(shù)檢測(cè)模塊

在接觸器合閘前對(duì)系統(tǒng)的整定電流和電壓等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，依此來(lái)確定負(fù)載的反時(shí)限過(guò)載動(dòng)作特性，計(jì)算短路、斷相、過(guò)壓、欠壓及漏電閉鎖動(dòng)作值，并存入相應(yīng)的RAM 單元。

3.4 故障檢測(cè)模塊

故障檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中的異常狀況，并及時(shí)做出處理。合閘前的故障檢測(cè)內(nèi)容有：電網(wǎng)對(duì)地的絕緣水平、電流整定、系統(tǒng)設(shè)置、試驗(yàn)等；合閘后的檢測(cè)內(nèi)容有：斷相、短路、過(guò)載、三相電流平衡情況等。

3.5 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的處理。

3.6 漏電閉鎖檢測(cè)模塊

主控模塊在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并執(zhí)行完額定參數(shù)檢測(cè)程序之后，便對(duì)主電路中的漏電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，依此來(lái)確定系統(tǒng)是否漏電。

3.7 中斷響應(yīng)模塊

中斷響應(yīng)模塊由外部中斷1 完成。它用作故障延時(shí)結(jié)束中斷。

3.8 顯示模塊

該模塊由定時(shí)器0 中斷服務(wù)程序調(diào)用，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，循環(huán)顯示電機(jī)的工作電流與電壓，在電機(jī)有故障時(shí)，顯示故障狀態(tài)及參數(shù)，便于工作人員維修。

4 測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，存在強(qiáng)大的干擾源，干擾信號(hào)可以沿各種線路侵入單片機(jī)系統(tǒng)，也可以場(chǎng)的形式從空間幅射到單片機(jī)系統(tǒng)。針對(duì)不同的干擾源，設(shè)計(jì)了不同的抗干擾措施。

4.1 硬件抗干擾

對(duì)于串模干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光電隔離、抗干擾穩(wěn)壓電源、交流濾波、選用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源、數(shù)字信號(hào)采用負(fù)邏輯傳輸、將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。對(duì)于共模干擾，采用了良好的接地系統(tǒng)，并將主電路板屏蔽起來(lái)。對(duì)于CPU 抗干擾采用 “看門(mén)狗” 電路。

4.2 軟件抗干擾

軟件抗干擾采用的措施主要有連續(xù)采樣相同信號(hào)，數(shù)字濾波等方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用單片機(jī)構(gòu)成礦用隔爆型低壓開(kāi)關(guān)的各種故障檢測(cè)系統(tǒng)，完全改變了傳統(tǒng)的模擬式保護(hù)系統(tǒng)，其靈活性、可靠性和先進(jìn)性顯而易見(jiàn)。用相敏保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)井下線路發(fā)生三相短路的主保護(hù)，解決了長(zhǎng)距離大容量鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與線路末端電流難以區(qū)分的問(wèn)題。特別是系統(tǒng)的本質(zhì)安全型先導(dǎo)電路，在合閘前可有效防止控制線接地所造成的自起動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生；運(yùn)行中不論控制線路發(fā)生短路、接地或斷線故障，系統(tǒng)均能可靠跳閘。此外，系統(tǒng)的多功能液晶顯示裝置為工作人員提供了良好的人機(jī)界面，便于工作人員操作和維修，提高了工作效率。該系統(tǒng)通過(guò)了實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，效果良好。

[1]宋建成.單片機(jī)在千伏級(jí)隔爆磁力起動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].煤礦自動(dòng)化，1995，2.

[2]賴昌干，張金程，鄒有明.礦山電工學(xué)[M].煤炭工業(yè)出版社，1991.

[3]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1990.