基于ARM處理器的煤礦饋電開關保護裝置的研制

摘 要：設計并實現了一個基于ARMCortex-M3處理器為核心的饋電開關保護裝置，該保護裝置可為低壓電網提供安全保障。文章給出了該保護裝置的設計方案，并對其硬件和軟件系統的設計進行了詳細的闡述。

關鍵詞：饋電開關；ARM處理器；保護裝置

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）8-0077-02

我國的饋電開關保護技術起步于20世紀50年代，經歷了模仿蘇美、西歐等先進國家的產品到自主開發、非智能化到智能化的發展歷程，饋電開關保護裝置為井下低壓供電提供了有力保障。目前，井下低壓饋電開關保護的方法比較多，但其存在的不足之處便是靈敏度、可靠性和準確性易受到外部條件的影響，難以適應復雜的井下工作環境。基于此認識，考慮到嵌入式應用領域中32位ARM處理器具有的高性能、低成本和低功耗等優點，決定將其運用到低壓饋電開關保護中去。

1 保護裝置系統總體設計

該饋電開關保護裝置系統采取芯片為STM32F103RS的32位ARMCortex-M3處理器，系統硬件是以STM32F103RS芯片為核心的嵌入式硬件平臺，并根據保護裝置的需要設計了多種功能模塊；該饋電開關保護裝置系統軟件采取了μC/OS-II嵌入式實時操作系統，按照一定的優先級將各個功能模塊的控制程序進行任務管理。為了促使該保護裝置安全、穩定運行，在系統軟件和硬件方面分別加入了抗干擾設計。

該保護裝置的安裝位置為開關防爆腔內，經饋電開關的斷路器來完成電路的通斷。其工作原理是互感器對電網的電量參數進行采集，保護器由A/D端口接收信號并對其進行分析、判斷和處理，發生故障時則通過繼電器閉合將跳閘回路接通使斷路器跳閘，從而實現故障保護。保護裝置的主要功能有：①由采樣電路對互感器上的信號進行實時監測和處理，并依據處理結果由ARM處理器結合μC/OS-II嵌入式實時操作系統來提高故障保護的實時性，同時采用RS-485通信連接方式來降低故障保護動作時間。②利用其通信功能來實現數據的傳播、共享與交換，同時提高保護裝置的穩定性和可靠性。③可以通過LED顯示器實時顯示電網的運行情況，在發生故障時自動報警，同時支持參數的按鍵設置。

該設計的低壓饋電開關保護裝置系統總體功能結構由電源模塊、信號預處理模塊、通信模塊、故障保護模塊、液晶顯示模塊等等，具體如圖1所示。

2 保護裝置硬件系統的設計

考慮到低壓饋電保護裝置的設計成本和功能需要，決定選用ST公司生產的32位STM32F103RB芯片，該處理器芯片內嵌有兩個12位模擬/數字轉換器（A/D）。STM32F103RB芯片采用了RISC和Thumb-2技術，與單純ARM相比所需內存降低30%以上，同時又具有低功耗、高性能的優點。按照低壓饋電保護裝置的功能需要，硬件設計主要包括：開關量輸出模塊、通信模塊設計、顯示模塊設計、電源模塊設計、信號預處理模塊、測溫模塊和開關量輸入模塊等。保護裝置的硬件結構如圖2所示：

2.1 電源模塊設計

該保護裝置的電源取自于井下配電電網，由變壓器降壓后轉為24 V的交流電作為饋電開關的電源。根據保護裝置系統的需求，采用DC/DC變換3.3 V、5.0 V、12 V和24 V四種等級電壓。由于電源易受到微機控制系統的影響，在滿足系統不同等級供電電壓要求的同時，要采取一定的抗干擾措施。綜合各方面因素，決定采用如下保護裝置的電源模塊設計方案：采用LM2575HV集成穩壓電路將24 V交流電轉為12 V的直流電，然后再采用78M05型和MC34063型DC/DC電源芯片將12 V電壓轉為5.0 V和24 V直流電，最后由SP6201-3V3型電源芯片將5.0 V電壓轉換為3.3 V直流電壓。

2.2 通信模塊設計

該保護裝置采用的是RS-485通信模式，通信電路采用MAX485芯片，該芯片內部包含驅動器和接收器，除了滿足高通信要求外，還具備較強的抗干擾能力。考慮到保護裝置的防爆性能，在通信模塊設計時加入了光耦隔離元件PC817、6N137和高壓隔離變換器B0505，同時設計整流橋來保證輸出信號的穩定性。

2.3 信號預處理模塊設計

井下電網信號主要來自于采樣電阻和互感器，往往難以滿足A/D轉換器的要求，因此必須對其進行預處理使其符合芯片的要求。考慮到在合閘和分開時總開關處只需分別檢測絕緣電阻和零序信號，設計采用繼電器控制絕緣電阻檢測回路的通斷。零序電壓由該零序電壓變壓器所取得，是40 V的交流信號，并由UO接入采樣電路，為了滿足系統不同等級電壓需求，對其進行降壓處理。零序電流由零序電流互感器所得，并使之從IO處接入電路，同時設計采用PO07構成的微分電路進行相位補償以滿足互感器感應電流在相位上的滯后，零序電流經轉換成為電壓信號，并經過LM324放大電氣隔離，成為符合芯片要求的電壓信號。

2.4 開關輸入與繼電保護輸出模塊設計

繼電保護的輸出和參數的設定與開關量的輸入輸出有關。為了提高STM32芯片驅動力和處理器、電路的穩定性和準確性，要采取一定的抗干擾措施。該保護裝置以薄膜開關作為輸入按鍵，同時采用6N137和PC817等光電隔離器件來實現輸入與輸出電路信號的隔離。由于繼電器驅動所需電流較大，設計采用高耐壓、大電流的ULN2003驅動繼電器動作。

2.5 其他模塊設計

①測溫模塊——保護裝置采用PT100測溫傳感器，其測溫原理是在該傳感器上施加一個穩定電流，通過檢測兩端電壓，進而確定其阻抗，并利用阻抗與溫度變化之間的關系計算出相對應的溫度。②顯示模塊設計——為了實現保護裝置的運行狀態顯示，同時滿足防爆安全要求，決定采用RT1286M-1型LED屏，采用4位并行接口和3線串行接口的通訊方式。

3 保護裝置軟件系統的設計

考慮到主控芯片是基于ARMv7架構且又能夠支持嵌入式操作系統，同時該保護裝置又要滿足多種功能需求，故決定采用移植開源的μC/OS-II 嵌入式操作系統。根據系統功能需要，將功能按照任務模塊進行劃分和編寫，同時設計好各程序對應的優先級和通信連接方式。該保護裝置軟件應包括處理功能、人機操作、保護功能輸出、邏輯判斷、通訊功能、顯示功能等程序。該保護裝置軟件系統結構圖如圖3所示：

圖3中的BSP板級支持包是介于硬件和操作系統之間的一段程序，其主要是使操作系統較好的運行于硬件主板。保護裝置的軟件系統主要包括系統內核、主程序、驅動程序、BSP、系統任務、故障處理子程序、采樣中斷服務子程序等。軟件設計首先應完成該μC/OS-II操作系統的移植，之后在系統上進行程序編寫、斷服務函數、各功能任務程序的編寫等等。保護裝置執行的任務主要有LCD刷新、鍵盤和互感器掃描、故障的處理與數據的傳輸等等。操作系統通過信號量、消息郵箱、郵箱陣列和事件等四種同步對象來完成系統任務間的通信和同步。此外，為了各項任務的實現還需編寫供μC/OS-II 操作系統調用的應用程序、功能函數和數據處理算法等，該類程序的編寫在此不予贅述。該保護裝置的系統啟動后，經過初始化后開始運行，啟動操作系統的硬件定時器并創建相應的系統任務，然后系統按照設定的優先級進行各任務的執行。保護裝置系統軟件系統如圖4所示：

4 結 語

根據當前饋電開關保護技術存在的問題，基于ARM 處理器為核心構建了饋電開關保護裝置的硬件結構和軟件系統，該保護裝置是集通信、故障保護、人機交互等多種功能于一體的高智能化低壓饋電開關保護裝，為礦井低壓電網安全可靠的運行提供了有力保障。

參考文獻：

[1] 王世斌，梁睿，劉建華，等.基于ARM的低壓饋電開關智能保護裝置[J].煤礦機械，2009，（5）.