電源一體化區域滅火物聯網光口分站

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.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學研究所有限公司，遼寧 沈陽110011；4.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山063018）

區域自動噴粉滅火抑爆系統將傳統的煤礦被動滅火抑爆轉變為主動快速滅火抑爆，達到良好的滅火抑爆效果[1]；礦用區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 年國內首次申請煤安認證的產品。

為解決目前市場上區域滅火類產品現場工人在施工及維修維護設備過程繁瑣，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、交換機多單機產品種類維護難問題[2]。設計一款電源一體化區域滅火物聯網光口分站，一體化設計實現區域滅火小型集成化、結合MESH 網絡實現設備巡檢人員佩戴的監控設備信息上傳以及巡檢時設備異常報警提醒、結合網口、光口設備實現數據直接連如環網[3]，解決目前現場多以電源、分站、交換機的方式進行復雜上傳問題。

1 系統架構

電源一體化區域滅火網口分站架構架構如圖1，自診斷電源一體化區域滅火網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據上傳。由于區域滅火分站所連接的傳感器均在10 m 以內進行連接，為了兼容老版本區域滅火且區域滅火聯動機械設備目前多為無源觸點方式，為了提高火焰傳感器響應時間，因此還不能像煤礦安全監控系統一樣進行全數字化設計。

圖1 電源一體化區域滅火網口分站架構架構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 協議；模擬量傳感器主要為電流型壓力傳感器；開關量傳感器主要為火焰傳感器，因火焰傳感器對火焰響應時間越快，噴粉滅火越及時，因此火焰傳感器全硬件電路設計，避免單片機處理，提高了噴粉響應速度。

2 關鍵技術

電源一體化區域滅火網口分站原理圖如圖2。

2.1 模擬量信號隔離抗干擾

圖2 電源一體化區域滅火網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，當輸入信號為4～20 mA 電流型經電阻IV 變換后點亮輸入發光管，輸入信號大小與流過發光管電流大小成比例關系，發光管發出的光會在3 腳和4 腳的發光管上感應出正比于1 腳與2 腳發光管的電流，在5 腳和6 腳感應出正比于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：

電路中假設輸入電流經RK1電阻進行I-U 變換后電壓為U1, 根據虛短原則流過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 腳感應出正比于1 腳和2 腳的LED 發光強度的感應電流。

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

即實現模擬信號一比一隔離傳輸[5]。

2.2 開關量及通訊隔離電路

圖2 電路原理圖中T6為光耦無源輸出節點，用于異地常開常閉聯動，圖中當系統上電后，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光耦處于關閉狀態，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 收發控制隔離，GL1為發射隔離，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為火焰傳感器輸入接口。傳感器電源采用T2中BA1隔離后的電源進行供電，這樣設計保障了分站電路的健壯性。當有外部火焰觸發時，K1、K2、K3導通，對應單片機引腳輸入高電平則認為對應火焰傳感器有火。若不考慮成本，也可選用磁隔離進行設計。

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計，變壓器T1采用自適應變壓器[6]，其輸入電壓為90～900 VAC，經本安電源保護模塊BA2后變為直流18 V 為電路進行供電。分站采用全隔離設計，在隔離后的芯片供電上多采用隔離電源方案。圖中BA1隔離后主要為火焰傳感器、壓力傳感器[7]進行供電。BG1隔離后的電源芯片主要為網口及通訊隔離后電路進行供電。

2.4 網光口

網口電路采用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 后恢復高電平持續15 ms，保證鎖相環穩定后對寄存器進行配置。

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

本機端口號設置通過端口寄存器里面的SO_PORTR 進行設置，通訊協議通過模式寄存器下的S0_MR 中P3-P0 進行設置。然后對控制寄存器S0_CR 通過置高開執行打開命令，此時若Socket0 寄存器中的S0_SSR 變為0x13，則初始化完成[8]。繼續對S0_CR 發送監聽指令0X02，此時若S0_SSR 狀態變為監聽0x14，則執行完偵聽任務。W5300 設置為TCP 服務器；最后等待S0_SSR 改變為SOCK_ESTABLISHED（0x17），若S0_SSR 變為預期值，則建立了Socket0 連接，可以進行數據通信[9]。

為了實現對外光口進行數據傳輸，采用市場上常用的2 光3 電模塊，實現電口轉光口拓展。圖中U5的92、93 引腳用于連接mesh 模塊，通過串口和MESH 網口進行連接，當有手表或支持mesh 的巡檢設備接入時，可以預警感知設備信息，實現物聯。

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

系統軟件采用FreeRTOS，FreeRTOS 操作系統相比其他商業收費系統比完全免費。操作系統且具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點。通過操作系統可以合理高效的利用CPU 資源，保障系統運行的可靠性。FreeRTOS 是一個迷你的實時操作系統內核。主要包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟件定時器、協程等，可滿足電源一體化區域滅火物聯網光口分站設計。

3 結 語

設計了一款電源一體化區域滅火物聯網光分站，實現了分站全隔離信息采集，提高了整體硬件設計的健壯性。將電源和交換機與分站集成在一起，一體化設計降低了區域滅火維護難度，可集中監控，一體化方案也適用于小型煤礦的煤礦安全監控系統設計。相比市場上其他區域滅火類產品將電源、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。提高了產品性能同時降低維護復雜度，降本增效，更具有實用性。