基于ARM嵌入式的煤用饋電開關(guān)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

王曉峰

（西山煤電杜兒坪礦， 山西 太原 030200）

引言

電力系統(tǒng)中使用的饋電開關(guān)技術(shù)在我國起步較晚，其最早是在1950年前后引進(jìn)前蘇聯(lián)的產(chǎn)品和技術(shù)，后來逐漸接觸到西歐的一些更加先進(jìn)的產(chǎn)品。從最開始自主研發(fā)非智能的產(chǎn)品到后來逐漸發(fā)展為智能化。在煤礦井下低壓供電環(huán)節(jié)中饋電開關(guān)起著舉足輕重的作用。目前井下應(yīng)用了多種低壓饋電保護(hù)方法，但或多或少都存在某些無法容忍的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在靈敏度無法達(dá)到使用要求，工作的穩(wěn)定性和保護(hù)的可靠性容易受環(huán)境的干擾等，尤其是在復(fù)雜環(huán)境條件下干擾尤其嚴(yán)重。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一套基于ARM嵌入式系統(tǒng)的饋電開關(guān)保護(hù)裝置。具有成本低、性能穩(wěn)定以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 保護(hù)裝置系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示為本系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。從圖中我們可以看出系統(tǒng)整體可分為四大模塊，分別為：核心處理器模塊、輸入輸出模塊、通信模塊與人際接口模塊。其中輸入包括各種互感器接口電源輸入，輸出是繼電器控制輸出。人際接口模塊包括按鍵、報(bào)警、顯示等。通信模塊包括與上位機(jī)的通信以及其他控制器的通信。

圖1 井下低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

由于工作環(huán)境是在煤礦井下，所以控制器需要安裝在防爆殼內(nèi)進(jìn)行防爆處理，通過控制饋電開關(guān)的斷路器完成電路的通斷。工作流程為：先通過互感器對電網(wǎng)中的電壓和電流參數(shù)進(jìn)行采集，由于采集到的是模擬量，所以需要通過A/D模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，由模擬量轉(zhuǎn)換為可以被CPU直接識(shí)別的數(shù)字量。將信號(hào)輸入到處理器后由處理器對其進(jìn)行分析處理，得出最后的判斷，如果有故障發(fā)生則通過控制繼電器的閉合來控制斷路器的跳閘，從而保護(hù)電路。保護(hù)裝置的主要功能包括以下幾項(xiàng)：其一，通過互感器實(shí)時(shí)采集電路上的電壓電流信號(hào)，通過處理器進(jìn)行處理同時(shí)將處理結(jié)果通過RS-485總線上傳到地面監(jiān)控主站；其二，充分利用通信功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳播與交換，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；其三，可以通過顯示器的顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作情況，在發(fā)生故障時(shí)提示聲光報(bào)警，同時(shí)還能夠通過鍵盤實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改等操作[2]。

2 保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

綜合各方面考慮，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了ST公司生產(chǎn)的ARM7系列32處理器型號(hào)為STM32F103。內(nèi)部集成了兩個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)化模塊，能夠進(jìn)行高效的模數(shù)轉(zhuǎn)化。從而省去外部的A/D轉(zhuǎn)化模塊減小控制板空間，和簡單的ARM相比較本處理器所需要的內(nèi)存能夠降低30%以上，其主要原因是采用了Thumb-2以及RISC等技術(shù)，功耗也相應(yīng)降低，性能方面卻得到提高。如下頁圖2所示為保護(hù)裝置控制器硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包括處理器模塊、光電隔離模塊、測溫模塊以及采樣模塊等。其中由于礦井下工作環(huán)境比較復(fù)雜，干擾比較多，所以采用隔離模塊將電路前后隔離增強(qiáng)抗干擾能力[3]。

1）電源模塊設(shè)計(jì)。保護(hù)裝置的電源電壓主要取決于井下電網(wǎng)的配電，通過變壓器將電壓降為24 V的交流電供饋電開關(guān)使用。由于系統(tǒng)的需求，采用整流濾波方式將電壓轉(zhuǎn)換為直流的12 V、5 V、3.3 V三種電壓等級(jí)。為了防止系統(tǒng)對電源的影響，本設(shè)計(jì)采取了光電隔離的方式來保證各個(gè)電壓等級(jí)的穩(wěn)定性。整體電源的設(shè)計(jì)方案為：將24 V交流電轉(zhuǎn)化為12 V直流電采用的電源芯片為LM2575HV，然后分別利用DC/DC芯片將12 V直流電轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V和 24 V等 。 芯 片 分 別 是 78M05、MC34063、SP6201-3V3。

圖2 井下低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

2）通信模塊設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用的通信總線模式為RS-485通信。其通信距離遠(yuǎn)，能夠很好地與礦井下其他控制器實(shí)現(xiàn)連接，因其線路少所以被廣泛采用。本電路采用的通信芯片型號(hào)為MAX485，由于該芯片具有高速通信功能，還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)部集成了發(fā)送驅(qū)動(dòng)器和接收器等。考慮到需要安裝進(jìn)防爆殼里所以必須采用隔離裝置，本設(shè)計(jì)中采用的光電隔離器件是PC817、6N137還有高壓隔離轉(zhuǎn)換器B0505，同時(shí)為了增加電路的穩(wěn)定性額外加入了整流橋。

3）信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)。由于井下采集信號(hào)大多采用電阻或者是互感器，所以采集到的信號(hào)不能直接被A/D電路轉(zhuǎn)換，需要對其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。檢測斷路器的通斷只需檢測其絕緣電阻和零序信號(hào)便可以了，采用繼電器來控制測量回路是否通斷。從變壓器上能夠獲得零序電壓是大小為40 V的交流信號(hào)，為了滿足系統(tǒng)的要求，需要對其進(jìn)行降壓處理。通過電流互感器來獲得零序電流，通過CPU的GPIO口接入到處理器，互感器在測量電流時(shí)會(huì)發(fā)生相位滯后的現(xiàn)象，為了對其進(jìn)行補(bǔ)償采用微分電路進(jìn)行信號(hào)處理，再轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后經(jīng)過隔離送入到CPU進(jìn)行處理。

4）I/O模塊設(shè)計(jì)。開關(guān)量的輸入輸出直接關(guān)系到繼電保護(hù)的輸出和參數(shù)的設(shè)定。為了增強(qiáng)電路的抗干擾能力，增加電路的驅(qū)動(dòng)能力以及安全性和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中添加了隔離模塊來增加抗干擾能力，型號(hào)為6N137和PC817，由于繼電器所需要的啟動(dòng)電流比較大，本系統(tǒng)采用了能夠支持大電流的ULN2003模塊來驅(qū)動(dòng)繼電器。

5）其他模塊設(shè)計(jì)。測溫單元：本系統(tǒng)中的溫度傳感器采用的是電阻型測溫裝置，型號(hào)為PT100系列，在溫度變化時(shí)其電阻值也會(huì)發(fā)生線性變化，通過測量其電阻便可得出此時(shí)的溫度

3 保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一般沒有系統(tǒng)的程序稱為裸程序，裸程序所有的功能都是建立在一個(gè)大的While循環(huán)里，一旦有某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)程序崩潰。所以本系統(tǒng)加入了嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，這是一個(gè)搶占式的嵌入式系統(tǒng)，通過將任務(wù)劃分優(yōu)先級(jí)來競爭CPU的使用權(quán)。每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)小循環(huán)。如圖3所示為軟件結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)具體的功能將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為三部分：分別是Main主程序、底層驅(qū)動(dòng)程序和上層功能模塊。具體包括人際接口程序、邏輯算法程序、通信程序和顯示程序等[4]。

圖3 饋電開關(guān)軟件結(jié)構(gòu)框圖

饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)軟件組成包括以下幾項(xiàng)：操作系統(tǒng)內(nèi)核、主程序入口、底層驅(qū)動(dòng)程序、軟硬件接口BSP、系統(tǒng)功能程序、故障處理程序以及特殊的中斷程序等。首先是操作系統(tǒng)的移植，接下來是編寫硬件驅(qū)動(dòng)最后是編寫功能程序以及中斷服務(wù)子程序等。操作系統(tǒng)各項(xiàng)任務(wù)間的通信是通過信號(hào)量、消息郵箱以及事件等實(shí)現(xiàn)的。另外將功能函數(shù)以及算法等編寫為小循環(huán)模塊設(shè)置合適的優(yōu)先級(jí)供系統(tǒng)調(diào)用。如圖4所示為系統(tǒng)啟動(dòng)流程。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后首先處理器芯片進(jìn)行初始化配置各種寄存器，接下來對操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，啟動(dòng)與之相關(guān)的定時(shí)器中斷，最后創(chuàng)建任務(wù)與系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)模塊執(zhí)行功能程序。

圖4 饋電開關(guān)保護(hù)裝置軟件啟動(dòng)流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于ARM嵌入式系統(tǒng)為核心的饋電開關(guān)保護(hù)裝置由硬件結(jié)構(gòu)包括通信模塊、故障處理模塊、人際交互接口、操作系統(tǒng)內(nèi)核、主程序入口、底層驅(qū)動(dòng)程序、軟硬件接口BSP、系統(tǒng)功能程序、故障處理程序以及特殊的中斷程序等組成，是一種高度智能化的開關(guān)保護(hù)裝置，為煤礦井下電網(wǎng)的安全使用提供了有力保障。

[1]宋建成，翟生勤，范世民，等.礦井低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（10）：58-62.

[2]王太續(xù).煤礦供電設(shè)備電氣保護(hù)技術(shù)的探討[J].煤礦機(jī)電，2003（5）：55-58.

[3]陳廣大，劉德君，李遠(yuǎn)芳，等.基于ARM的礦用電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2013，34（7）：250-252.

[4]杜力.淺析基于ARM9的嵌入式軟件開發(fā)[J].煤炭技術(shù)，2013，32（3）：201-203.