基于ARM 的礦井地面配電柜監測系統設計

孔德明

（晉城宏圣建筑工程有限公司，山西晉城 048006）

0 引言

配電柜在供電系統中起著保護、控制或者通斷功能，是礦井供電系統中重要的組成設備。當配電柜內部電力設備過載時通常會出現溫度升高；母線與導線接觸不良或者接觸端氧化時電阻增加，也會導致溫度增加。長時間溫度增加不僅會導致供電元件老化、損壞，嚴重時可能會出現導線擊穿事故［1-3］。當供電柜發生故障時會導致礦井供電中斷，給井下作業人員安全以及正常煤炭開采帶來嚴重影響［4］。

山西某礦地面配備有8臺配電柜，電壓為35 kV高壓電，是礦井供電系統中的核心部分，對確保礦井供電有著決定性作用。現階段礦井采用人工值守方式，安排2 名工作人員24 h 進行監控，確保配電柜平穩運行。但是，由于人工值守僅能發現表面問題，對配電柜內的設備運行狀況無法有效掌握，考慮到配電柜絕大多數故障都會發熱，因此，本文提出一種基于ARM的礦井地面配電柜監測系統，采用紅外技術對配電柜發熱情況進行監測，并將監測結果上傳上位機，通過上位機數據分析，實現對配電柜運行狀態監測，當發現故障時發出聲光報警信息，提示作業人員前去檢修，避免出現供電事故。

1 設計方案

1.1 溫度監測方式確定

由于配電柜中電力元件處于高溫狀態，對該類設備進行溫度監測難度較大。現階段專門的用以配電柜溫度監測技術并不常見，其中一種是將母線、觸頭及其連接導線上涂抹一層隨溫度可變色的材料，通過觀測材料顏色來對設備運行溫度進行粗略確定，此類方法準確性低，可操作性不強，不能及時發現溫度異常，未普及應用；紅外熱成像技術根據被監測物體輻射的紅外強度強弱來對物體溫度進行確定，具有不接觸、探測范圍廣、無損等優點，且可以直接確定監測對象的溫度分布［5-7］。根據礦井地面配電柜工作環境以及對配電柜監測要求，最終選擇紅外熱成像技術作為監測系統的溫度監測方法。

1.2 監測系統結構組成及功能

設計的監控系統可以對地面配電柜內溫度異常情況進行監測，出現異常時監控中心內的上位機會發出報警信息。設計的監控系統結構如圖1 所示，包括紅外攝像頭（溫度圖像采集模塊）、控制單元（溫度圖像控制模塊）以及上位機監控中心（數據分析及報警模塊）［8］。

圖1 監控系統結構

配電柜溫度監控系統都會有一個IP 地址，通過以太網與上位機進行數據交換。將安設有紅外攝像頭的ARM 平臺安裝于配電柜門內側，以便對配電柜內電力元件溫度情況進行采集。

具體過程為［9］：（1）紅外攝像頭對配電柜運行溫度采集、形成溫度圖像；（2）圖像以點陣形式存儲于SDRAM內；（3）通過以太網將溫度圖像傳輸至上位機；（4）上位機將接收到的溫度分布圖像與預存在上位機內部的正常狀態下配電柜溫度分布圖像進行比對。考慮到配電柜運行環境存在差異，因此，分時段分季節采集多組溫度分布圖像作為標準比對樣本圖像。當上位機對比發現監測的配電柜內存在溫度異常點時，上位機發出聲光報警信息，提示相關人員前去檢查。

2 硬件設計

硬件結構包括有紅外攝像機、微處理器（S3C2400）、圖像存儲設備、傳輸設備及監控中心等構成。具體的設備間連接情況如圖2所示。

圖2 設備間連接示意圖

2.1 ARM選擇

經過比對，選擇S3C2440A 芯片作為處理器，該芯片為32位RISC（ARM920T）處理器，具有能耗低、性能強等優點，運行頻率400 MHz，可以滿足監控系統要求。

2.2 圖像采集模塊

該模塊采用TC160 機芯，實現溫度圖像信號獲取、存儲以及傳輸等功能，便于上位機對獲取圖像進行對比，從而實現對溫度監測結果預警。TC160 機芯提供有串行圖像輸入接口，便于與S3C2440A芯片連接。

2.3 以太網接口

接口是進行以太網信息傳輸的基礎，設計的監控系統以太網接口為MD9000 加嵌入式微處理構架。其中MD9000 控制芯片可以實現MAC 層（訪問層）以及PHY 層（物理層）功能。具體連接線路如圖3所示。

圖3 ARM與MD9000 控制芯片連接示意圖

網絡接口變壓器主要功能是將外部線路與嵌入式系統隔離，防止外部電路對元器件工作造成影響，具備帶電插拔功能。配電柜內部電磁強度高，在此環境內傳輸的數據若不保護或者屏蔽必然會導致數據傳輸問題，采用可屏蔽網線避免出現數據包丟失或者傳輸信號失真問題，提升信息傳輸系統的穩定性及準確性。

3 軟件構成

3.1 軟件設計

操作系統為μC/OS-II 平臺，具體包括紅外圖像采集、存儲、封裝打包以及傳輸等任務功能。上位機主要實現紅外圖像比對，對是否出現溫度異常區進行判定，并根據判定結果發出知否報警指令。具體的系統軟件結構如圖4所示。

圖4 系統軟件結構

3.2 運行流程

控制軟件運行流程為：（1）采集模塊工作，對紅外探測器內部設備參數進行設定，實現紅外圖像的采集、圖像輸出；（2）采集到的圖像信息采用點陣式方式存儲在SDRAM內部，為圖像傳輸做準備；（3）以太網傳輸模塊首先對DM9000 初始化處理，微處理器對采集數據封裝打包，DM9000 對數據MAC組幀后，傳輸至上位機，傳輸協議為TCP/IP，采用Socket進程實現對文件傳輸，整個任務完成均在μC/OS-II平臺實現；（4）上位機接收到傳輸來的各個配電柜紅外圖像，并通過灰度編碼形式呈現，并進行溫度圖像比對。具體的運行流程如圖5所示。

圖5 控制軟件運行流程

4 結束語

本文設計的監測系統采用紅外熱成像技術對礦井地面配電柜進行監測，實現了配電柜的無人值守以及故障的及時發現。其可以在一定程度上提升礦井地面供電的可靠性及穩定性，避免由于配電柜故障導致礦井供電中斷問題。采用紅外技術探測配電柜內的設備運行溫度，并根距溫度判定設備運行是否正常，應用前景廣泛。