基于單片機的煤礦用防爆電機應用設計

岳 華

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033000）

引言

我國礦山高壓電網繼電器保護技術，從設備的使用出發，經歷了機電、半導體型和微機型發展的三個階段。隨著電子技術和計算機技術的發展，智能高壓開關集成保護器在煤礦的應用越來越廣泛。這種智能保護器具有過電壓、過電流、漏電保護等綜合功能，可作為運行狀態和顯示參數的實時監控系統，實現智能控制的保護。利用微機控制技術，對礦井電網繼電保護技術發生了定性變化，大大改進了保護作用，更加完善了保護功能。對于一般的高壓繼電器保護裝置，其基本要求為可靠性、選擇性、快速性和靈敏度。但是井下條件更惡劣，安全條件更嚴格，現有國內高壓繼電器保護設備的研發中，缺少對礦用防爆電機的高壓繼電器保護的研究。現有的礦用電機以可編程控制器PLC 為核心控制電路，抗干擾能力強、可靠性高，但這些方案從初始設計就不能滿足本質安全的要求，作為一種采礦裝置，存在一些隱患。為進一步擴展礦用防爆電機的高壓繼電器保護應用，使煤礦開發更加安全高效，本文研究了TI 公司的數字處理芯片DSP 作為核心控制電路，開發其繼電保護算法，實現繼電保護功能。其特點是利用DSP強大的操作能力，實現小波變換等更復雜的數字濾波算法，實現快速和可靠的繼電保護功能。

1 本質安全電路設計的基本原理

本質安全電路是指設備在正常條件和故障條件下，其中任何放電或熱效應都不能引起爆炸性混合物爆炸的電路系統。其中，正常狀態是指正常工作條件下的電氣設備，包括短路、斷路試驗裝置測試等，故障狀態是指保護元件損壞、短路、斷路、接地、電源故障等情況下的測試電路。該電路系統的防爆原理是通過降低電路火花能量和元件溫度，使其不能點燃礦井混合爆炸，達到防爆目標。主要方法是降低電源電壓，降低電路電流，利用適當的電氣元件和參數等。由于本質安全的電氣系統和設備不能點燃爆炸性混合物，且具有體積小、質量輕、攜帶方便、安全度高等優點，可廣泛用于煤礦電氣系統的控制、通信、信號、測量和監控方面。

對于單片機電路板，其負載特性應等同于電阻器和電容電路的混合物。微機繼電器保護裝置以3.3 V微控制器為核心，采用TTL 電平芯片電路板，CPU 電源為3.3 V，外圍芯片電源為5 V，簡化的電源原理圖如圖1 所示。考慮到極端擊穿，根據標準GB 3836.4—2000，A3、Ⅱ類電容的擊穿電壓為1.5 倍，本電路中電容器C1、C2 的濾波電容器值不超過30 μF，外圍電路和CPU 功耗不超過16.5 VA，即可將本電路評估為安全。

圖1 簡化的電源原理圖

2 硬件設計

2.1 控制系統的結構

礦山防爆微機集成保護裝置由單片機控制裝置、電流互感器、電壓信號采集處理電路、模數轉換電路、報警電路、電源電路組成，如下頁圖2 所示。其中，核心控制電路由MSP430F149 單片機組成，可以通過特殊的功能寄存器選擇使用不同的功能電路，該功能寄存器依賴于軟件的外圍來選擇不同的功能模塊。不使用的模塊可以停止工作，從而大大降低功耗。當使用低頻時鐘時，系統功耗可達到微安水平，非常適合作為煤礦安全產品的控制核心。

圖2 控制系統結構圖

2.2 信號分析和處理

該設計涉及頻域分析算法，數值計算量大，因此如何實現頻域分析是系統的難點之一。這里選擇MSP430F149 芯片作為處理器，MSP430 處理器操作能力強，可以實現FFT 分析計算算法。采用FFT 算法進行MSP430 編程，實現時域信號向頻域信號的轉換，然后對頻域信號進行分析，再將信號輸入內部的芯片ADC12MSP430。在采樣波形振幅量化后，數字信號處理DSP 確定是否進行輸出等跳閘動作。數據和相關信息顯示在字符液晶上，同時與定時器脈沖寬度調制（PWM）驅動B 揚聲器語音實現語音報警。

3 軟件設計

系統軟件包括主程序、外部中斷服務程序、數字濾波器和語音報警等子程序。軟件使用匯編語言編寫，使用模塊化設計，使程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統的功能。主程序流程圖，如圖3 所示。首先，系統初始化，然后設置MSP430F149 的中斷控制，使CPU 中斷打開，中斷間隔采樣后打開系統，當采樣數據由FFT 處理時，采樣數據需達到1024；其次，這些數據進入存儲單元分析后，系統將得到信號存儲；再將FFT 分析和互相關函數的特征應用于數據處理，判斷是否要跳閘；輸出動作如果需要跳閘輸出動作，開始執行代理動作，同時語音報警[1]。

圖3 主程序流程圖

4 系統防干擾方法

4.1 系統干擾源

礦井防爆電機處于煤礦的條件下工作，空氣非常潮濕、粉塵充足、電磁干擾嚴重，測控系統不僅被電網的工作“噪聲”干擾，它本身也是一個非常強的干擾源，例如負荷線電流變化頻繁，真空斷路器本身的運行產生高頻噪聲，更嚴重的是高頻信號將通過導線和內部空間進入單片機系統，使系統工作不正常，甚至損壞系統。因此，測控系統單元的抗干擾性能提出了較高的要求，特別是抗干擾系統。在單片機應用系統開發過程中，始終將抗干擾性能作為首先考慮的設計問題之一。

4.2 防干擾措施設計

該設計基于快速傅里葉變換（FFT）頻譜和相位分離算法，獲得了信號振幅頻率特性和相位頻率特性。理想的檢測信號傅里葉級數展開公式為[2]：

它是一個頻率為f、振幅為A 的正弦信號，當w≠2πf/n，An=0 時，A0=0。通過振幅譜圖（圖4）可知，只有w=2πf/n，A≠0，其余的點An（w）為0。假設在時域上有一個可檢測的信號f，則f=f（t），（t0

圖4 振幅譜圖

經過FFT 分析，系統得到A 的最大振幅，相應頻率f 的最大振幅。實時電流i 對應于不同的振幅A和頻率f，可建立A、f 關于i 的函數表達式，函數關于i=0 對稱。同樣，對于實時電壓v，可建立A、f 關于v 的函數表達式，函數關于v=0 對稱。在給出頻域中，通過判斷信號的對稱性，可判斷是否存在干擾信號。當存在電磁干擾或斷路器運行條件時，檢測信號的頻率和振幅會發生變化，以識別干擾信號，降低噪聲干擾，提高檢測精度和靈敏度[3]。

5 結論

本文采用TI 公司的數字處理芯片DSP 作為核心控制電路，選擇低功耗MCUMSP430F149 作為核心組件，利用DSP 強大的操作能力，通過小波變換等更復雜的數字濾波算法，實現快速和可靠的繼電保護功能，并基于快速傅里葉變換（FFT）頻譜和相位分離算法，通過判斷信號的對稱性，可判斷是否存在干擾信號。通過降低噪聲干擾，提高檢測精度和靈敏度。該本質安全的電機中繼保護技術，可以克服中繼保護裝置現有的安全隱患，消除干擾，提高地下供電系統的安全性。