崔斌

(西山煤電股份有限公司 西曲煤礦， 山西 古交 030200)

0 引言

煤礦地面變電所的主要功能是為整個(gè)礦區(qū)提供電能，主要包括煤礦井下、地面生活區(qū)、地面選煤廠等。某些對電能質(zhì)量比較敏感的設(shè)備如立井提升機(jī)，對電能質(zhì)量提出一定的要求。因?yàn)殡娔苤写嬖诟叽沃C波或其他不穩(wěn)定因素，輕者導(dǎo)致設(shè)備無法啟動(dòng)，重則導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)突發(fā)事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。目前礦區(qū)中普遍使用的變電站檢測監(jiān)控設(shè)備，存在成本高、安全性差、監(jiān)控精確度不夠以及自動(dòng)化程度比較低等問題，這給礦井的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。為此，經(jīng)分析研究，設(shè)計(jì)了一套基于ARM嵌入式的煤礦變電站電能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將保護(hù)和現(xiàn)場的監(jiān)控結(jié)合為一體，不僅能對電網(wǎng)中電能的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，很好地保障礦井的用電質(zhì)量，而且具有極高的自動(dòng)化程度，能自動(dòng)判斷故障并做出相應(yīng)的處理[1-3]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1所示為本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖。

從圖1中可以看出,該系統(tǒng)的硬件大體上分為以下幾部分。

1) 最小系統(tǒng)模塊。包括CPU、晶振電路、JTAG下載接口電路和電源模塊等。

2) 外部人機(jī)接口器件。包括LCD顯示屏、鍵盤等。

3) 通信接口以及各種信號(hào)的輸入輸出接口。包括USB接口、RS-232接口、以太網(wǎng)接口以及I/O接口等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU處理器選型

系統(tǒng)采用的主控CPU是基于ARM架構(gòu)的STM32系列處理器，型號(hào)為STM32F103ZET6。該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，最高主頻為72 MHz。表1所示為該芯片的主要硬件資源[4]。

表1 STM32F103ZET6主要硬件資源

2.2 ALF低通濾波電路設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ALF低通濾波電路。電路中使用DC12V為運(yùn)放提供差分電源，經(jīng)過C42和C43兩個(gè)電容對電源進(jìn)行濾波后輸入到運(yùn)放中，能有效地減小電路中的工模干擾。為了防止信號(hào)輸出時(shí)電壓突變造成后級(jí)設(shè)備的損壞，在電路的出口端加入了鉗位電路，通過D1和D2兩個(gè)方向連接的二極管將電壓限制在0～3.3 V之間，這樣可以很好地保護(hù)后面連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。電路使用的運(yùn)放芯片型號(hào)為LM324，它是一款比較經(jīng)典的、高性價(jià)比、高電流增益的運(yùn)放芯片。電源可單電源供電，也可雙電源供電。由于內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償功能，故免去了外接電流偏置補(bǔ)償器件的冗余設(shè)計(jì)。

圖2 ALF低通濾波電路

2.3 串口通信電路

RS-232串口通信的特點(diǎn)是低速、近距離異步通信。系統(tǒng)利用其實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間點(diǎn)對點(diǎn)的通信，可以比較靈活地用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

圖3為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RS-232通信電路。該電路采用MAX232型芯片，該芯片具有低成本、低功耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。供電電壓為+3.3 V，電路中采用C79和C80兩個(gè)電容來對芯片內(nèi)部發(fā)送信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以提高電路的抗干擾能力。在電源和地之間串接1個(gè)大電容，能有效地濾除電源內(nèi)部的高次諧波，提高電源的質(zhì)量。接口采用通用的DB9接口，連接線共有3條，分別是RX、TX和GND，分別連接DB9接口中的3、2、5號(hào)管腳。系統(tǒng)串口通信速率設(shè)置為115 200 bit/s，1個(gè)停止位和8個(gè)數(shù)據(jù)位。通過中斷的方式接受并處理數(shù)據(jù)，可有效地提高數(shù)據(jù)通信的效率[5]。

圖3 RS-232串口通信電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

圖4為系統(tǒng)的主程序流程圖?？刂破魃想姾笫紫葘ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后對系統(tǒng)進(jìn)行自檢，主要是監(jiān)測各種外圍設(shè)備是否在線，各種傳感器是否工作正常等。如果系統(tǒng)自檢沒有通過,則返回初始化程序,繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；如果自檢合格,則打開系統(tǒng)中斷，接受外部的中斷觸發(fā)；當(dāng)有中斷源發(fā)生時(shí),程序指針進(jìn)入到相應(yīng)的中斷子程序中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。處理完畢后，判斷變壓器的工作狀態(tài)是否正常：如果正常,則顯示正常狀態(tài)并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；如果有故障發(fā)生,則識(shí)別故障類型并進(jìn)行聲光報(bào)警處理[6]。

圖4 變電站監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 A/D采樣程序設(shè)計(jì)

圖5為系統(tǒng)A/D采樣程序流程圖。由于采樣系統(tǒng)需要的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，因此A/D采用了中斷采樣的方式。中斷由定時(shí)器觸發(fā)，定時(shí)器的觸發(fā)時(shí)間與電網(wǎng)中基波頻率之間成正比關(guān)系。該系統(tǒng)共有60個(gè)采樣點(diǎn)，在波形點(diǎn)每個(gè)周期對其進(jìn)行采樣。由于電網(wǎng)的頻率是50 Hz，故每個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí)間為333 μs，即設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間間隔為333 μs。定時(shí)器時(shí)間到時(shí),觸發(fā)A/D采樣申請，觸發(fā)采樣中斷后進(jìn)入到相應(yīng)的子程序中，首先是保護(hù)現(xiàn)場，然后啟動(dòng)芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換完成后讀取A/D相關(guān)寄存器中的結(jié)果，然后退出程序，準(zhǔn)備接受下一次中斷。

3.3 故障處理程序設(shè)計(jì)

故障處理子程序是系統(tǒng)的核心功能，也采用中斷方式。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),觸發(fā)系統(tǒng)中斷，進(jìn)入到相應(yīng)的中斷處理子程序中，計(jì)算出差動(dòng)電流，然后判斷是否滿足差動(dòng)速斷保護(hù)。如果滿足,便立即跳閘,如果不滿足,再判斷是否是斷線故障；如果是則發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警,如果不是再判斷比率制動(dòng)是否在合理的區(qū)域,如果不在立即對其進(jìn)行閉鎖操作。最后是判斷二次諧波是否滿足條件。圖6為故障處理程序流程圖。

圖5 A/D采樣程序流程圖

圖6 故障處理程序流程圖

3.4 頻率測量子程序

通過查閱資料可知,基波頻率的正常范圍為44～65 Hz。如果測量的頻率值在該范圍內(nèi),則需要對其進(jìn)行存儲(chǔ)。電網(wǎng)中基波頻率在理想狀態(tài)下為50 Hz，但受用電設(shè)備及電網(wǎng)傳輸?shù)挠绊?，其相?yīng)的頻率也會(huì)發(fā)生小范圍波動(dòng)。一般允許的上下波動(dòng)范圍是0.2 Hz，容量比較小的電網(wǎng)系統(tǒng)中允許范圍相對較大,一般在0.5 Hz左右。

頻率測量子程序如圖7所示，該程序的主要任務(wù)是測量電網(wǎng)中基波的頻率。首先是捕捉中斷的發(fā)生，中斷觸發(fā)后讀取相應(yīng)寄存器的值，如果是第一次進(jìn)入中斷則判斷為誤觸發(fā)，程序返回繼續(xù)捕捉。當(dāng)二次觸發(fā)時(shí)計(jì)算相應(yīng)頻率判斷是否在正常范圍內(nèi)，如果在就將數(shù)據(jù)保存，如果不在則做出相應(yīng)的處理。

圖7 電網(wǎng)頻率測量子程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的煤礦變電站監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)中功能驗(yàn)證和現(xiàn)場試驗(yàn)后，證明了其功能的完整性和可靠性，在一定程度上能夠滿足工業(yè)需求，為煤礦同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了參考。