一種新型的煤礦井下高壓防爆開關的硬件設計

蔣軍 JIANG Jun

（淮南職業技術學院，淮南232001）

0 引言

傳統的井下高壓防爆開關保護器通常采用單片機作為核心控制器件，配以A/D轉換器等外圍電路構成控制系統。在煤礦井下的復雜環境中抗干擾能力差、可靠性較低。本文設計的基于和利時LM3108G型PLC為核心的綜合保護器充分利用了PLC的高可靠性，在具備傳統保護器的各種保護功能之外，重點設計出保護器的后備電源系統，使之在斷電1到2小時內保證保護器的正常工作，而且電源質量也得到了保證。

按照模塊化設計的思路，可將其硬件分為以下模塊：中央單元模塊、電源系統模塊、模擬量采集模塊、人機接口模塊、I/O模塊、通信模塊等。

下面本文將重點對中央單元模塊、模擬量采集模塊、電源系統模塊、人機接口模塊進行詳細介紹。

1 中央單元設計

在系統的硬件設計中，選擇合適的中央處理單元是設計的第一步。對于裝置的功能實現有重要的意義。而對于中央處理單元的選擇上，根據功能的需要可從以下幾個方面進行考慮。

①運算速度：在本裝置中為滿足保護的快速性，要求每個周期進行32點的采樣，這同時也就要求中央處理單元在0.625 mS內必須完成程序的運行。②擴展性：在滿足了運算速度的同時，出于對裝置后期的研發作為參考，應選擇在未來使用前景較好的機型。便于以后的研發和在保護功能上的擴展。③功能：所選中央處理模塊應能滿足實現保護功能的要求。尤其是接口功能的滿足。在此之上也應綜合考慮合適的性價比。以及適用場合的特殊要求。④中央處理單元應有良好的兼容以及穩定性。通過對上述要求的綜合考慮，在本設計中，選用了和利時的LM3108G型PLC作為中央單元，該PLC本身集成了I/O模塊和通信模塊，有效的簡化了系統，也是對模塊化設計思想的貫徹。

和利時LM3108G型PLC（以下簡稱“LM3108G”）集成24點輸入和16點晶體管輸出共40個數字量I/O點，最多可連接7個擴展模塊。具有3點100kHz單相高速計數器和2點100kHz兩相高速計數器，具有2路20kHz高速脈沖輸出功能。1個RS232串行通訊接口和1個RS485串行通訊接口，支持專有協議、MODBUSRTU從站協議和自由協議，是一款適用于較復雜自動控制系統的控制器。

2 模擬量采集電路

通常對于模擬量的采集包括兩部分，分別是模擬量輸入以及A/D。對于保護裝置來說需要輸入的交流信號主要有兩相的電流值，三相電壓，零序電壓、零序電流和監視線等合計八路模擬信號。首先需要通過電壓和電流互感器等信號通過交流量調理電路進行電平轉換然后經過濾波等環節進入A/D轉換為數字信號以便于PLC進行處理，（LM 3108G需要另配A/D轉換模塊），在此之前要對輸入的交流量進行一定的處理。

2.1 電壓、電流的采集

通常情況下，對于保護裝置會采用兩個互感器的方法將模擬量信號采入。第一個互感器是把一次線路中的大電流變換為小電流，通常輸出為5A較為固定，從而實現了高壓和低壓電路在電路上的分離。第二個互感器采用了小型精密的交流電壓、電流互感器，將5A的電流按照需要進行變換。

本裝置中選用西安瑞豐公司的RPT-202B電壓互感器和RCT-201B電流互感器。該型號互感器經試驗線性度良好，滿足設計要求，而且結構簡單，可直接焊裝在印刷線路板上，而且成本較低。其電路如圖1所示。

圖1 互感器的應用電路

RPT-202B是一種電流型測量用精密電壓互感器。圖中，R3、R4為限流電阻，保證額定輸入電流為2mA。互感器副邊的電路是電流/電壓變換電路，便于送入A/D轉換。調整圖中反饋電阻R1的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調電阻R2是用來補償相移的。電容C2是1000pF的小電容，用于去耦和濾波。兩個反接的二極管是起保護運算放大器作用的，也可用一個100Ω左右的電阻代替。運算放大器視精度要求使用，我們使用的是LM324。RCT-201B是測量用穿心式精密電流互感器，其應用電路及原理同電壓互感器的應用電路基本相同。

2.2 前置低通濾波電路

據香農采樣定理，為了在頻譜上防止有“混疊效應”的出現，要求信號最高頻率要小于采樣頻率的1/2，在此可以通過前置的低通濾波器實現對高頻成分進行濾除。本裝置采用了二階RC無源低通濾波器。如圖2所示。

圖2 二階RC無源低通濾波器

其傳遞函數：

從傳遞函數表達式中可知極點為恒小于零，所以濾波器呈現單調衰減的特性。為了達到更好的濾波效果還需要與數字濾波相結合。

對于監視線采用了雙極點Sallen-Key濾波器（如圖3）：

圖3 Sallen-key濾波器

其傳遞函數為：

式中：

這里只需對R1、R2或C1、C2按比例調整便可以得到所需要的ωc的值。

3 電源單元

由于綜保裝置需要多種電源，在高壓隔爆開關柜內，一般供電電源取自互感器的二次側100V作為保護裝置的供電電源，電源性能的好壞會直接影響到保護裝置的性能。保護裝置中，由于電源取自高壓開關內，工作井下環境惡劣，且裝置包含多種作用不同的功能塊，不僅有模擬電路又有數字電路，對電源的要求也不盡相同，這就給電源部分的設計提出了更高的要求。

工作電源通過充電適配器轉換成為24V直流電，一方面為直流蓄電池充電；另一方面，通過相應的電源轉換電路為綜保裝置供電。當直流電池充滿電后，處于“離線”狀態。當外接電源斷電，直流電池組立即進入工作狀態，持續向PCB電路板提供穩定的24V電源輸出。

電源可由PCB板上轉換電路，分解為：+5V、+12V、-12V、+24V、合閘用+24V等電源輸出，供保護裝置使用，維持其正常工作。這里，直流蓄電池的設計容量為2AH，實驗表明保護裝置一般工作電流在1A以下。因此，維持保護裝置在停電狀態下，保證綜保裝置正常工作時間不小于2個小時。這樣會極大地提高了井下電力系統運行的穩定性，為煤礦的安全、高效生產提供了強有力的技術支持。

從圖中可知，24V備用電源的輸出連接到穩壓濾波電路上，經過電容濾波及一個整流器輸出24V，經過穩壓濾波整流器輸出的24V一路用來提供DC/DC的輸入，一路用來直接輸出驅動外部設備。經過DC/DC電壓轉換之后，輸入DC/DC的24V轉換成一正一負的12V兩路輸出連接到穩壓濾波電路上，經過電容電感濾波輸出的12V有兩路直接驅動外部設備，分別為一正一負。另外兩路中有一路連接到Lm1066上，經過Lm1066分壓電路，輸出的5V直接驅動外部設備，剩下的一路輸入5 DC/DC，經過DC/DC電壓轉換之后輸出的24V連接到濾波電路上，經過高頻濾波輸出的24V用來驅動外部設備。另外，在模擬量采集環節中由于需要將電壓抬升1.25V。因此，這里選用REF3112實現將+5V轉為+1.25V如圖4所示。

圖4 電壓抬升電路

4 人機交互單元

在保護裝置中，操作人員需要對保護的進行監視、整定、查看故障信息等，系統的運行狀態以及故障發生情況也應通過顯示各監測量以及故障報警的方式進行告知，從而形成人機交互。

4.1 鍵盤單元

由于保護裝置安裝在高壓防爆開關的內部，通常情況下門板上整定按鍵較少，在設計的時候應盡量簡化按鍵，保護裝置設有3個按鍵，分別是整定一、整定二和復位鍵。由于從電源產進入的干擾有可能對數字部分產生一定的影響，因此，可以先使用光耦進行隔離處理。處理器讀取低電平來識別按鍵的按下，當沒有按鍵按下時仍保持高電平。由于按鍵按下時在暫態過程中會有一定的震蕩，從而可以在軟件上進行處理來消除抖動的影響。

4.2 顯示單元

使用液晶顯示器來進行保護狀態以及故障信息的顯示，具有小巧低功耗等特點。在工業控制及儀器儀表的設計制造中廣泛應用。在本保護裝置中采用了OCM12864_4液晶模塊。本顯示器采用了點陣型T6963C控制器。顯示陣列為128×64。由處理器的的外部接口進行對顯示器的存儲進行相應的讀寫操作。

5 抗干擾設計

由于保護裝置的安裝地點特殊環境復雜，對于其工作可靠性也是對保護設計的主要要求之一。從保護的應用來說，這里的可靠性包含了不誤動和不拒動這兩方面的要求。要做到這兩方面首先在保護裝置的硬件設計中要對抗干擾性能進行加強。通常情況下，保護裝置的干擾來自于以下幾個方面：

①來自電源的干擾。

在實驗中我們會發現來自電源的干擾對保護系統的影響最大而且也最為頻繁。在電力系統的運行中，浪涌、接地不良、互感器的絕緣下降等諸多方面都會對系統產生一定的影響。而且這種影響也較為復雜，除了及時發現設備原因之外，在硬件設計中要對電源部分多加注意，加強器抗干擾的能力。

②輸入輸出接口引入的干擾。

輸入輸出接口引入的干擾通常可以分為三類即操作外設引起的干擾、電路板中臨近信號線路間的相互干擾和電源線路對信號線路的干擾、現場干擾。較為普遍的是分合閘過程中瞬間的突變量較大從而引起的信號線中的干擾引入。這對于處理器的工作有很大的影響。

③來自空間的電磁干擾。

由于井下變電所空間有限系統的一次設備距離保護的安裝出也比較近。由于這些高電壓設備運行過程中會產生很強的空間電磁場。因此對同在附近的保護裝置也有一定的影響。通常可以通過保護裝置的外殼來進行空間電磁干擾的防護。

由于干擾的產生種類較多，定量的分析也比較困難。根據一般的硬件設計在抗干擾方面的設計經驗我們可以從以下幾個方面入手來降低或者消除干擾的影響，保證裝置的正常工作。這些手段包括：

①接地的抗干擾措施。

接地是在硬件抗干擾設計中較為常用的方法。有效的接地和屏蔽的使用對于很多的干擾問題都可以解決。具體說，裝置的接地包括了數字地、模擬地、通信地、機殼地、電源地等。使用接地的目的是為了盡可能的減小該處的接地阻抗。

1）模擬部分的接地可采用單點接地法，即每個電壓電流通道自形成系統，有各自電源線及地線。電源線和地線最后連接到設備的電源端，以減小公共接地元件因接地的阻抗不同而造成的模擬信號之間的耦合。

2）這設計中要把模擬地與數字地分開，以減少模擬部分對于數字部分的干擾。而且對于接地線應該盡量的保證短而粗。

3）接地線應盡可能的形成閉合的環路。這樣可以有效的減少地線間的電壓差，并對電路的抗造性能加以提高。將中間兩層作為電源層與地線層，這樣在兩層中間可以產生電容以保持電源質量。

4）要將保護的機殼有效接地，這里的地指大地。從而對空間中存在的電磁干擾以及靜電等加以屏蔽。在現場使用中會將保護器的外殼與高防開關有效接觸從而通過高壓開關外殼有效接地。

②模擬量采集的抗干擾措施。

本文的電源設計部分采用了二階無源RC濾波以及Sallen-key等低通濾波器。對于高頻信號進行有效的濾除以防止發生干擾。

③PLC本身的抗干擾。

LM3108G本身就具有優良的抗干擾能力，包括輸入輸出的光電耦合等，這也是選取其作為中央控制單元的原因之一。另外，保護器專門設計的外殼也起到了一定的抗干擾效果。

6 結論

本設計選用了LM3108G作為保護器的核心，提高了裝置的性能，并對其外圍設備進行設計。通信方面，保護器同時采用了RS-485和RS232通信，方便現場應用。重點保護器的電源部分，尤其是設計了UPS電池作為保護的后備電源。即使在斷電的情況下仍能保證保護器正常工作1-2小時，方便通信和故障信息的上傳。