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嵌入式高壓隔爆開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的研究方案
1 引言
高壓隔爆開(kāi)關(guān)是煤礦井下供電的關(guān)鍵設(shè)備，開(kāi)發(fā)高性能的集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信于一體的高壓隔爆開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元對(duì)提高煤礦井下供電質(zhì)量和保護(hù)井下的人員安全有非常重要的意義[3]。
目前。國(guó)內(nèi)許多高壓開(kāi)關(guān)測(cè)控系統(tǒng)主要采用16 位單片或者8 位單片機(jī)＋DPS 雙CPU 構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元，通過(guò)RS-485，CAN 總線(xiàn)等通訊方式與主控室工作站構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)。然而，由于這些單片機(jī)系統(tǒng)缺乏操作系統(tǒng)的支持，因此難以形成模塊化程度高，便于維護(hù)和升級(jí)的軟硬件系統(tǒng)。同時(shí)，隨著配電網(wǎng)尤其是礦山配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性要求的進(jìn)一步提高，測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，32 位單片機(jī)越來(lái)越受到人們重視，尤其是擁有豐富外設(shè)的ARM32 位MCU。
2 ARM 嵌入式技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用
近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越快，并以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在各控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
廣義上講，嵌入式系統(tǒng)是指將單片機(jī)，DSP，MCU 等在某方面功能得到強(qiáng)化而在其他方面功能弱化的能嵌入到設(shè)備內(nèi)部來(lái)控制設(shè)備的專(zhuān)用CPU，是相對(duì)于普通PC 機(jī)內(nèi)的通用CPU而言的。隨著軟件系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被理解為可以移植并運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的微控制器，在這方面ARM 技術(shù)在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
Cortex M3 是ARM 公司推出的一款新型內(nèi)核，它具有最高可達(dá)72MHZ 的工作頻率，并內(nèi)嵌單周期硬件乘法和除法器，這對(duì)提高計(jì)算速度有重大意義。該內(nèi)核一經(jīng)公布便被ST（意法半導(dǎo)體）公司購(gòu)入。在這個(gè)內(nèi)核的基礎(chǔ)上，ST 公司推出了STM32F103 系列微控制器。
該系列微控制器具有豐富的外設(shè)：從32K 到128 字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，6K 到20K 字節(jié)的SRAM；兩個(gè)12 位16 通道的AD；7 通道DMA 控制器；最多可達(dá)80 個(gè)快速I(mǎi)/O 口；7 個(gè)定時(shí)器；2 個(gè)I2C 接口；3 個(gè)USART 接口；2 個(gè)SPI 同步串行接口；CAN 控制器；USB 接口；并可擴(kuò)展SD/MMC 存儲(chǔ)卡。國(guó)際著名的軟件開(kāi)發(fā)工具KEIL 支持該系列芯片，針對(duì)每一款微控制器都給出了起動(dòng)代碼和底層驅(qū)動(dòng)程序，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。
3 系統(tǒng)的主要功能
3.1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集
該微控制器內(nèi)置了兩個(gè)12 位16 通道的高速AD 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)測(cè)試，精度及速度都滿(mǎn)足要求。因此該保護(hù)系統(tǒng)無(wú)須外擴(kuò)AD 芯片，直接采用CPU 內(nèi)置的AD 轉(zhuǎn)換器即可。本系統(tǒng)采集電網(wǎng)三相電壓，兩相電流，零序電壓和電流，監(jiān)視線(xiàn)電壓和電流；并計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率，功率因數(shù)等電網(wǎng)數(shù)據(jù)，稍加改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)電能采集。
3.2 保護(hù)功能
(1).電流保護(hù)：本裝置設(shè)計(jì)了三段式電流保護(hù)。所謂三段式電流保護(hù)，即電流速斷保護(hù)+限時(shí)電流速斷保護(hù)+反時(shí)限電流保護(hù)（或者定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)）。其中，電流速斷保護(hù)和限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成線(xiàn)路的主保護(hù)，反時(shí)限電流或者定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù)使用。
(2).監(jiān)視線(xiàn)保護(hù)：所謂監(jiān)視線(xiàn)保護(hù)，就是監(jiān)視雙屏蔽電纜的監(jiān)視線(xiàn)和接地線(xiàn)之間有無(wú)短路或監(jiān)視線(xiàn)和接地線(xiàn)有無(wú)短線(xiàn)故障的一種保護(hù)。本設(shè)計(jì)選擇終端加電阻的低頻交流監(jiān)視線(xiàn)保護(hù)原理，這種方法可以通過(guò)數(shù)學(xué)的措施大幅度的提高監(jiān)視線(xiàn)保護(hù)的抗干擾能力。
(3).選擇性漏電保護(hù)：現(xiàn)在井下供電系統(tǒng)廣泛采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈方式，同時(shí)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)也存在著，本文針對(duì)這兩種不同的方式分別選擇不同的選擇性漏電保護(hù)原理。
在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，采用零序功率方向型漏電保護(hù)方法；在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，采用消弧線(xiàn)圈并聯(lián)電阻的方法實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)以及接地選線(xiàn)。
(4).欠壓保護(hù)：當(dāng)電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓不足額定值的65%(可定值整定)時(shí)，跳開(kāi)開(kāi)關(guān)[4]；(5).過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓超過(guò)額定值的118%(可定值整定)時(shí)，跳開(kāi)開(kāi)關(guān)；(6).其它保護(hù)：本系統(tǒng)同時(shí)還具有風(fēng)電閉鎖和瓦斯閉鎖功能。
3.3 故障追憶和故障錄波功能
裝置在完成保護(hù)功能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)記憶功能，為故障進(jìn)一步分析提供依據(jù)。
故障信息還包括累計(jì)跳閘次數(shù)及其相應(yīng)的故障類(lèi)型，故障時(shí)間和故障數(shù)據(jù)，故障追憶多達(dá)99 次。同時(shí)，本微控制器支持SD/MMC 存儲(chǔ)卡接口，能外接相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，可以輕松應(yīng)對(duì)故障錄波的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。
3.4 通信功能
該微控制器自帶CAN 控制器，只需外接收發(fā)裝置即可實(shí)現(xiàn)CAN 通信。如果沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)CAN 總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，該微控制器內(nèi)部集成的有3 個(gè)USART，可以通過(guò)外加控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)RS-232 和RS-485 通信系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)候可以根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)剪裁[1]。
需要指出的是，本系統(tǒng)所使用的CPU 同時(shí)含有以太網(wǎng)模塊，如果在實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，只需對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行編程即可，無(wú)須更換硬件。
4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
高壓開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元的硬件結(jié)構(gòu)是根據(jù)保護(hù)的要求而設(shè)計(jì)的。原理框圖如下：
采用插件式電路板的設(shè)計(jì)思路。整個(gè)硬件系統(tǒng)分為核心電路板，外圍電路板和連接電路板三部分。核心板包括了一塊STM32F103 為控制器，一片含EEPROM、看門(mén)狗電路、時(shí)鐘的外圍芯片，一片內(nèi)部帶光電隔離的CAN 收發(fā)電路芯片；外圍板上其上放置所有的數(shù)據(jù)采集通道、各種實(shí)驗(yàn)電路以及連接人機(jī)接口的插件；連接電路板上沒(méi)有芯片，只有線(xiàn)路和插槽，這樣的設(shè)計(jì)即方便了控制器內(nèi)部的安裝又方便了控制器和外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人際接口的連接。
5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用了順序結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)思想。軟件的模塊化設(shè)計(jì)，可以節(jié)省裝置的開(kāi)發(fā)時(shí)間，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于進(jìn)一步擴(kuò)展，更主要的是提高了軟件的設(shè)計(jì)可靠性和運(yùn)行可靠性。軟件部分的主要模塊有：故障處理模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)處理模塊、通信模塊、自檢模塊等組成。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，在此選擇的操作系統(tǒng)為uC/OSII。
在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件中，uC/OSII 是規(guī)模最小的系統(tǒng)之一，它實(shí)際上就是一個(gè)微內(nèi)核。
除了那些與硬件關(guān)系極為緊密的軟件模塊不得不用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)之外，uC/OSII 的絕大多數(shù)代碼都是用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的。uC/OSII 是一個(gè)源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，源代碼為C 語(yǔ)言，具有很強(qiáng)的移植性，能單獨(dú)在一個(gè)CPU 上運(yùn)行，非常適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)的內(nèi)嵌微控制器上。通過(guò)引入uC/OSII，利用其多任務(wù)管理、實(shí)時(shí)性、任務(wù)間通信等特點(diǎn)，使儀器儀表具備多功能性、處理及時(shí)和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。自發(fā)布以來(lái)，在很多領(lǐng)域成功應(yīng)用該實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)例充分證明了它的實(shí)用性和可靠性[2]。
6 樣機(jī)性能指標(biāo)
根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們對(duì)設(shè)計(jì)出的樣機(jī)進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)。如圖3 所示為被試設(shè)備接線(xiàn)圖。
檢驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃，相對(duì)濕度為57%，依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 17626.2-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T 17626.11-1999，GB/T 17626.5-1999）以及電磁兼容的試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了下述性能的檢測(cè)：
�。�1）靜電放電抗擾度；
�。�2）電快速瞬變脈沖群抗擾度；
�。�3）電壓突降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度；
（4）浪涌（沖擊）抗擾度；按照技術(shù)要求，在試驗(yàn)期間，受試設(shè)備應(yīng)正常運(yùn)行，允許暫時(shí)功能降低，但能自恢復(fù)。試驗(yàn)之后，受試設(shè)備應(yīng)仍能符合有關(guān)性能要求。
對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了上述四個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果樣機(jī)實(shí)際性能能夠達(dá)到A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而超過(guò)規(guī)定的B 級(jí)保準(zhǔn)，符合實(shí)驗(yàn)要求。
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