基于ARM的礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置的設(shè)計

雷振光

(西山煤電 東曲礦 機(jī)電科檢修隊， 山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦綜采面的增大和采區(qū)的擴(kuò)展，井下用電設(shè)備的負(fù)荷日益增大，尤其是綜采設(shè)備的裝機(jī)容量不斷提高，作為煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，井下低壓供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要性不言而喻?！睹旱V安全規(guī)程》對礦用饋電開關(guān)保護(hù)裝置的功能性、選擇性、快速性和可靠性均做出了明確規(guī)定，現(xiàn)有饋電保護(hù)裝置已經(jīng)不能滿足要求，因此本文設(shè)計了一種基于ARM控制器的功能全面、動作迅速和抗電磁干擾的礦用低壓饋電開關(guān)綜合保護(hù)裝置。

1 饋電開關(guān)保護(hù)裝置系統(tǒng)總體方案

設(shè)計的低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置及其外圍設(shè)備的安裝示意圖如圖1所示。低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置包括保護(hù)器1和保護(hù)器2，是保護(hù)系統(tǒng)的核心控制器。如果被保護(hù)的線路發(fā)生某種故障，各項電參量通過電流互感器、零序電流互感器和電壓互感器采集，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給保護(hù)器，經(jīng)保護(hù)器處理后，發(fā)出跳閘信號，控制真空斷路器動作，達(dá)到保護(hù)的目的。此外，系統(tǒng)通過一個變壓器取被保護(hù)線路兩相電源，作為保護(hù)器的供電電源。上位機(jī)是井下各分機(jī)的集中管理平臺，能夠?qū)φ麄€保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。

保護(hù)裝置最主要的功能是對被保護(hù)線路發(fā)生的故障進(jìn)行保護(hù)。主控制器采用了ARM Cortex-M3高性能芯片，采用RS-485通信，為保護(hù)動作的快速性節(jié)約了時間。本裝置主要的故障保護(hù)包括漏電保護(hù)、過流保護(hù)和過欠壓保護(hù)。漏電保護(hù)包括漏電閉鎖和選擇性漏電保護(hù)；過流保護(hù)包括對稱性過流保護(hù)(三相短路保護(hù)和超時過載保護(hù))和非對稱性過流保護(hù)(兩相短路保護(hù)、斷相保護(hù)和三相電流不平衡保護(hù))。

圖1 低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置及其外圍設(shè)備的安裝示意圖

在實現(xiàn)上述保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，保護(hù)裝置還可以根據(jù)井下具體線路情況的不同配置不同的參數(shù)，使其可以靈活應(yīng)用于總饋電開關(guān)和分饋電開關(guān)處。對于多條線路的復(fù)雜饋電系統(tǒng)，保護(hù)裝置可以通過通信功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高可靠性。此外保護(hù)裝置具有良好的人機(jī)交互平臺，保護(hù)器在線路正常狀態(tài)下可以通過液晶屏顯示線路的運行參數(shù)，當(dāng)故障發(fā)生時可以通過LED燈提供報警信息，運行人員可以通過按鍵設(shè)置各項參數(shù)。

2 保護(hù)裝置硬件設(shè)計

整套保護(hù)裝置系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路、電源電路、通信電路、信號處理電路和抗干擾電路等。

2.1 微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路

目前大部分礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置都采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)控制方案成本低，但是計算能力有限，集成度也較低，面對多功能的處理任務(wù)和實時性要求較高的應(yīng)用場景，嵌入式處理器ARM更加具有優(yōu)勢。STM32F103是一款32位高性能處理器，且片內(nèi)具有2個12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。除主控制器及其模數(shù)轉(zhuǎn)換器以外，外部電路包括開關(guān)量輸入電路、電網(wǎng)參數(shù)采集和處理電路、RS-485通信電路以及光電隔離電路等。STM32F103微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路原理框圖如圖2所示。

圖2 STM32F103微機(jī)控制系統(tǒng)及其外部電路原理框圖

2.2 電源電路

穩(wěn)定的供電電源是保護(hù)裝置能夠穩(wěn)定工作的保障，因此在設(shè)計供電系統(tǒng)時，除滿足各電壓等級的用電設(shè)備功率要求外，還應(yīng)該充分考慮電源之間的干擾，在各級電壓轉(zhuǎn)換時設(shè)計不同的濾波器以穩(wěn)定電壓。系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示，井下電網(wǎng)取電后，經(jīng)過一個降壓變壓器變換為24 V交流電，經(jīng)過一個整流電路后變成直流，然后通過一級DC/DC變換器得到12 V直流電，供繼電器使用，經(jīng)過兩個二級DC/DC變換器得

到24 V直流電和5 V直流電，分別供附加直流電源和液晶，5 V直流電經(jīng)三級DC/DC變換器得到3.3 V直流電，供ARM處理器工作。

圖3 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

2.3 通信電路

RS-485是一種在工控領(lǐng)域使用廣泛的通信技術(shù)，具有信號傳輸速率高、距離遠(yuǎn)的特點，芯片內(nèi)部集成了差分接收器和平衡驅(qū)動器的組合，大大提高了共模信號的抑制能力，總線具有多站功能。本保護(hù)裝置的通信芯片選用MAX485，該芯片接收器的靈敏度為200 mV，傳輸效率為2.5 Mb/s，接收器和驅(qū)動器可接32個。圖4為設(shè)計的RS-485及其光耦電路原理圖，MAX485芯片通過光耦PC817和6N137與主控制器STM32F103連接，以達(dá)到防爆的目的。端口A、端口B是收發(fā)差分信號的引腳，當(dāng)Uab為+2 V～+6 V時表示邏輯1，Uab為-2 V～-6 V時表示邏輯0，抗干擾能力較強(qiáng)。

圖4 RS-485及其光耦電路原理圖

2.4 信號處理電路

保護(hù)裝置的信號處理電路是電網(wǎng)運行參數(shù)的入口，包括絕緣電阻信號、零序電壓電流信號。限于篇幅，簡單介紹絕緣電阻的輸入電路，圖5為其電路圖。采用阻值10 kΩ功率2 W的電阻為采樣電阻，采樣電流經(jīng)過阻值2 MΩ的電阻限流，得到數(shù)百毫安的輸入信號。運算放大器LM324M的作用是電壓跟隨，以提高電路的帶載能力。

2.5 抗干擾電路

本文在硬件設(shè)計上采用了各項抑制措施，包括鉗位保護(hù)、濾波和屏蔽等。主要的抗干擾部分有電源抗干擾設(shè)計、通信電路抗干擾設(shè)計和印刷電路板的布線設(shè)計。井下可能會發(fā)生的干擾有高頻脈沖、電網(wǎng)波動和雷擊等，由于保護(hù)裝置的電源是通過變壓器取自井下配電站，且控制器對電磁干擾很敏感，惡劣的電源供電可能使得芯片誤動作，因此設(shè)計了壓敏電阻、扼流圈以及雪崩二極管等抗干擾電路。通信電路主要采用前文提及的光電隔離芯片抑制高頻電磁波。在設(shè)計印刷電路板時，走線布局合理，在功率較大的芯片電源接口處外加陶瓷電容濾波，模擬地和數(shù)字地分開防止相互影響，增加底線寬度以減小線路產(chǎn)生的電壓降。

圖5 絕緣電阻信號輸入電路

3 保護(hù)裝置軟件設(shè)計

保護(hù)裝置的軟件設(shè)計包括系統(tǒng)軟件設(shè)計、主控制器程序設(shè)計、人機(jī)交互程序設(shè)計、通訊軟件設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理算法等。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32F103是一款基于ARMv7架構(gòu)的嵌入式處理器，因此可以方便地移植開源嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II實時性好、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，具有運行時間確定的多任務(wù)系統(tǒng)。圖6為軟件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)內(nèi)核、驅(qū)動程序、中斷ISR、任務(wù)和基本應(yīng)用程序等組成。

圖6 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

在移植完成操作系統(tǒng)之后，設(shè)計所需執(zhí)行的各類任務(wù)，最后進(jìn)行具體程序函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計。中斷函數(shù)包括時鐘節(jié)拍中斷、故障中斷和其他中斷。API指的是基本應(yīng)用程序，包括算法函數(shù)、基本功能函數(shù)和庫函數(shù)。驅(qū)動程序包括LCD驅(qū)動、RTC驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動、FLASH驅(qū)動、RS-485驅(qū)動和開關(guān)量輸入輸出驅(qū)動。

3.2 主控制器程序設(shè)計

圖7為主控制器的程序流程圖，程序開始時控制器STM32F103和操作系統(tǒng)μC/OS-II初始化，初始化完成后啟動操作系統(tǒng)，然后啟動硬件定時器中斷，創(chuàng)建所有任務(wù)并建立適當(dāng)?shù)亩褩：腿蝿?wù)優(yōu)先級，按照任務(wù)優(yōu)先級，操作系統(tǒng)開始調(diào)度各任務(wù)。

圖7 主控制器的程序流程

4 結(jié)論

本文結(jié)合井下低壓電網(wǎng)的生產(chǎn)實際和煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程，在原有礦用低壓饋電開關(guān)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)了一款基于ARM處理器的新型低壓饋電保護(hù)裝置。新型低壓饋電開關(guān)具有保護(hù)功能齊備、動作迅速、抗干擾能力強(qiáng)等特點，既可以用于總饋電開關(guān)保護(hù)，又可以應(yīng)用于分饋電開關(guān)保護(hù)，實際使用場合靈活，對提升煤礦井下用電安全具有重要的意義。