嵌入式礦井供電監控分站設計

呂景璐

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

煤礦井下井供電都是通過專門的供電監控系統來完成的。礦井供電監控系統的主要任務就是監測設備的運行狀態，以及根據控制器制定的參數去控制某些機構執行特定的任務。其中檢測的參數主要包括供電網絡中的電壓、電流、負載功率、實時功率因數以及各種開關器件的實時狀態等。控制主要包括故障自動保護、遠程控制以及各種開關的通斷控制等[1]。但目前煤礦井下使用的供電監控系統普遍存在可靠性低、通信接口兼容性差等問題。針對此問題設計了一套基于LPC1788的礦井供電監控分站，通過使用嵌入式系統以及增加CAN、以太網等通信接口來提高系統運行的可靠性和通信接口的兼容性，這對提高礦井供電綜合水平具有重要意義，也為同類型控制器的設計提供了經驗。

1 礦井供電網絡結構

礦井供電網絡按電壓等級劃分為1 140 V的高壓部分和低于1 140 V的低壓部分。高壓部分的接線方式有3種，分別是：只有單一電源供電時的輻射狀接線，多種電源供電時的環狀，以及放射狀接線。低壓側電網的供電接線方式相對比較單一，只有單一電源供電的輻射狀接線[2]。

礦井供電網絡常見的結構由3部分組成。第一層(最高層)是地面變電所，主要作用是為全礦變換和分配電能，主要設備包括電力變壓器、故障保護裝置、功率補償設備等。第二層由井下的中央變電站組成，主要功能是為井下各個采區變電站以及工作面變電站提供電能，主要設備包括電力變壓器、故障保護裝置、功率補償裝置等。第三層是采區變電所，主要作用是為礦井下各種機械設備提供電能，主要設備包括電力變壓器、故障保護裝置以及功率補償裝置等。煤礦典型的供電網絡結構如圖1所示。

圖1 煤礦典型的供電網絡結構圖

2 監控分站硬件設計

2.1 監控分站硬件框架

圖2所示為監控分站硬件框圖，從圖中可以看出控制器設計了3種通信方式，分別為CPU、CAN、以太網。其中一臺為數據傳輸速率快，數據量大，此系統利用其與監控上位機來進行數據交換；其他兩種通信方式主要用于與被監控設備之間通信。整個控制器提供DC24 V電源。此外，還提供人機交互界面、以及用于運行狀態存儲的存儲器等。

圖2 硬件結構框圖

2.2 CPU主控制器選型

系統選用的CPU為基于ARM架構的LPC1788型32位處理器，其最高主頻能達到120 MHz，帶有32 kB的EEPRAM和512kB嵌入的高速Flash存儲器。LPC1788型的主要硬件資源如表1所示[3]。

表1 LPC1788主要硬件資源

2.3 CAN通信模塊設計

CAN總線是一種抗干擾性極強、應用極為廣泛的現場總線，其最大通信速率可達到1 Mbit/s。由于其在可靠性、傳輸距離以及使用靈活性上都有極明顯的優勢，故在煤礦井下的應用比較廣泛。

圖3所示為CAN總線接口電路圖，此系統選用的CAN內部集成了CAN通信接口，為了增強通信線路的收發能力，外加了NXP設計生產的TJA1050T型高性能收發芯片。該芯片可提供CAN通信層面的協議控制和物理總線接口，具有較強的差動收發能力。由于井下環境比較復雜，各種干擾層出不窮，為增強抗干擾能力在收發線路上加入了光電偶合器，將板內的信號與板外的信號隔離開來。光電偶合器兩端的接地不是同一地，這樣可有效地防止共模干擾。在信號線末端的電容C1、C2可以有效地消除線路上的高頻干擾信號。為了防止通信電路上電壓的瞬時超限變化，在電路的末端加入了鉗位電路，可有效保護電路元器件[4-5]。

圖3 CAN總線接口電路圖

2.4 以太網通信模塊設計

以太網具有通信速率快、安裝方便、兼容性好等優點，本系統利用以太網實現監控分站與上位機之間的數據交換。

圖4為該系統設計的以太網接口電路圖，使用的以太網收發芯片為DP83848型集成以太網控制芯片。這是一款支持10/100 Mbit/s的單路物理層以太網收發芯片，標準工作電壓為DC3.3 V，Y600是50 M的有源晶振為芯片提供振蕩源，其芯片工作模式由39和7號引腳共同決定，在芯片的管腳外接電容目的是為了濾波。由于以太網通信速率比較高，故對電源的波動比較敏感。在PCB布線時要將電容盡量靠近芯片的管腳，這樣才能發揮其最大作用。另外TD-/TD+和RD-/RD+需要采用差分布線的方式進行連線。

圖4 以太網接口電路圖

3 監控分站軟件設計

3.1 μC/OS-II移植

由于傳統的單片機一般都采用裸程序，其所有的任務都嵌套在一個大循環里，使之系統穩定性差，一旦在某個循環里出現錯誤就會導致整個系統的崩潰。 本設計中采用了嵌入式操作系統，將所有的程序按功能劃分為不同的模塊，每個模塊都為一個單獨的循環任務，CPU在各個任務之間按照優先級進行切換，不但能將CPU資源的利用最大化，還能增強系統的穩定性。

圖5為μC/OS-II系統代碼與體系結構圖。系統移植時主要修改的內容為圖5中的第三部分。3個文件分別為OS_CPU.H、OS_CPU_A、OS_CPU_C.C。通過修改這3個文件中與硬件相關的參數，便可完成系統的移植[6]。

3.2 系統優先級劃分

此系統移植后便可按照各個任務的重要程度為它們優先級劃分，見表2。按照功能要求大體分為以下的任務：

1)界面顯示。主要是顯示實時的運行狀態以及各種參數，也可以進行故障查詢。

圖5 μC/OS-II系統代碼與體系結構

2)CAN通信。主要負責監測單元與控制分站之間的信息交互。

3)以太網通信。主要負責監控分站與地面監控主站之間的信息交互，將上位機的控制信息下傳，同時上傳監控分站采集到的各種參數。

4)協議轉化。將兩種不同的通信方式串聯起來，起到通信橋梁的作用，并將以太網的報文轉化為CAN通信的報文，以實現兩種不同通信方式之間的信息互聯。

5)存儲。將采集到的信息進行存儲，同時保存故障記錄方便查詢。

表2 各任務間優先級

3.3 系統軟件結構

圖6為系統的軟件結構圖。從圖中可以看出,芯片上電后首先是進行芯片內部各種中斷和堆棧初始化，然后是各種接口硬件的初始化，包括GPIO、通信接口等。當初始化完畢后便啟動μC/OS-II操作系統，用于任務創建和任務調度。具體的任務為：CAN、以太網通信任務、協議轉化任務、按鍵識別任務、LCD界面顯示任務以及存儲任務等。由于各種任務種類繁多，這里不做詳細介紹。

圖6 分站系統軟件結構圖

4 結論

通過在硬件上加入多種通信方式和在軟件上使用了嵌入式操作系統，有效地解決了系統穩定性和兼容性兩個難題。該監控系統通過工業現場實際運行驗證，證明了該系統運行可靠，基本上能與井下的各種設備實現通信，滿足工業生產需求，為礦井下同類型控制器設計提供了新的思路。