智能電表在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

楊 韜，鄧 杰

(1.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001;2.淮南供電公司，安徽 淮南 232007)

近年來，隨著國家對煤炭需求量的增加，煤礦開采的規(guī)模也在日益擴大，伴隨而來的煤礦安全問題也備受關注，井下安全事故頻頻發(fā)生，嚴重威脅著工人的人身安全。電能作為目前最廣泛的清潔能源，在煤礦生產中起著決定性的作用，井下設備電能質量檢測的準確性和實時性直接關系著煤礦安全生產的順利進行。

基于51單片機的智能電表系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測礦井下各支路設備的用電情況，對采集到的電能信號進行存儲、處理，通過RS－485分布式通信網絡傳遞到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)［1］，相比于傳統(tǒng)的機械式電表不但方便了工作人員對設備用電量的統(tǒng)計，避免下井抄讀數(shù)據，而且在井下出現(xiàn)異常險情時能夠通過地面遠程終端及時切斷井下設備的電源，避免造成更大的損失。

1 設計方案

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是利用計算機技術、網絡通信技術對礦井下電能、瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、二氧化碳濃度、壓力、溫濕度、風速、風門狀態(tài)等環(huán)境因素進行實時檢測，并根據檢測參數(shù)去控制安全裝置、報警裝置、生產設備、執(zhí)行機構等功能的系統(tǒng)。具有及時、準確、安全可靠等優(yōu)點，保障礦井的安全，增強礦井的抗災能力。

智能電表是基于計算機應用、微電子、網絡通信等技術，采用微控制器STC89C52對電能實現(xiàn)采集、管理、網絡通信等功能的電能表［2］。集成電路ADE7755能夠準確地測量設備消耗的有功功率，實現(xiàn)數(shù)據實時采集。系統(tǒng)中數(shù)據的傳遞采用RS－485串口通信方式，屬于物理層的協(xié)議標準，具有傳輸速度快、傳輸距離遠、組網方便、抗干擾性好等特點。

2 硬件設計

智能電表系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成，分別是數(shù)據采集模塊、數(shù)據處理模塊和網絡通信模塊。為了提高電表的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在各模塊之間分別通過光電耦合器進行隔離，硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 智能電表硬件結構框圖

2.1 數(shù)據采集模塊

智能電表的數(shù)據采集模塊由ADI公司生產的低成本、高精度電能芯片ADE7755及其相關外圍電路組成，在500:1的動態(tài)范圍內非線性測量誤差小于0.1%，符合IEC1036規(guī)定的技術指標。ADE7755內部包含兩路16位的模數(shù)轉換器，分別處理線路中的電流、電壓信號，一個電源監(jiān)控電路和用來計算有功功率的信號處理電路。

集成電路ADE7755對流入的電流、電壓信號進行放大后送入模數(shù)轉換器進行數(shù)字化，再將數(shù)字化的兩路信號直接相乘得到瞬時功率。瞬時功率分為有功功率和無功功率，還需要通過低通濾波器才能得到有功功率。該處理過程由于在集成電路內部進行，所以具有很好的抗干擾能力［3］。

2.2 數(shù)據處理模塊

單片機是將中央處理單元、存儲器、輸入/輸出端口等集成在一個芯片中的微型計算機，數(shù)據處理模塊以8位單片機STC89C52為核心，選用E2PROM 24C02為存儲器，1602為現(xiàn)場終端顯示器。

STC89C52主要對數(shù)據采集模塊傳遞過來的電能信號進行統(tǒng)計、存儲與計算等工作，并將處理后得到的電能數(shù)據和費用等參數(shù)一方面顯示在終端顯示器1602上，另一方面通過串口傳遞給RS－485分布式通信網絡實現(xiàn)與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的遠程通信與控制。當井下出現(xiàn)設備短路、斷電等異常情況時，STC89C52將當前數(shù)據存儲到E2PROM，在設備恢復正常工作時讀取存儲器中的數(shù)據到顯示器中。

2.3 網絡通信模塊

智能電表區(qū)別于傳統(tǒng)式電能表的關鍵在于其具有網絡通信功能，簡單有效的有線通信方式RS－485串口通信，具有連接方便、抗干擾性好、距離遠、速率高等特點［4］。

RS－485采用雙絞線傳輸差分信號，用總線型網絡拓撲結構實現(xiàn)一點多址的分布式通信網絡［5］，具有良好的信號保密和抗干擾能力，如圖2所示。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中基于RS－485的本地數(shù)據傳輸系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)控終端、數(shù)據集中器、數(shù)據采集器、智能表計等組成。

圖2 智能電表通信網絡

3 軟件設計

智能電表的軟件設計是其真正實現(xiàn)智能化的基礎，與地面監(jiān)控系統(tǒng)的通信以及井下單片機對數(shù)據的處理和顯示等功能都將由軟件設計來實現(xiàn)，軟件程序的編寫直接影響著智能電表的穩(wěn)定性和準確性。

STC89C52對采集到的電能信號采用中斷的方式進行統(tǒng)計，單片機主要有5種中斷方式分別為外部中斷0/1，定時器/計數(shù)器中斷0/1，串口中斷。本設計采用了外部中斷0的方式，初始化設置如下:

智能電表的現(xiàn)場終端采用1602作為顯示器，1602是點陣字符型液晶顯示模塊，是由若干點陣塊組成的顯示字符群，每一個點陣塊為一個字符位。其初始化設置如下:

STC89C52通過串口將處理后的數(shù)據傳遞到RS－485通信網絡，單片機中常用的通信方式是通用異步傳輸(UART)。將需要傳輸?shù)?位數(shù)據放入串行緩沖器(SBUF)中，微控制器會一位一位地將數(shù)據發(fā)送到網絡中。串口輸出函數(shù)程序如下:

4 小結

基于51單片機設計的智能電表具有低成本、高精度等特點，采用遠距離傳輸網絡完成煤礦井下設備用電情況的自動采集與傳輸，避免了人工下井存在安全隱患的發(fā)生。軟件設計與硬件設計的相互結合提高了智能電表在井下惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗干擾能力，通過實際測試運行正常，且具有一定的推廣價值。

［1］王志敏.嵌入式以太網技術在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.煤礦機械，2011，32(4):231－232.

［2］張莉.單片機控制的數(shù)字式電度表［J］.煤礦機械，2006，27(8):105－106.

［3］時志娜，董愛華，孫士棟，等.基于芯片ADE7755單相電能計量電路的設計［J］. 微計算機信息，2009，25:203－204.

［4］閆成華，周余，都思丹.基于嵌入式Linux的RS485通信協(xié)議［J］.計算機工程，2008，34(11):278－280.

［5］劉建戈.電能表RS485多系統(tǒng)通信方式分析與應用［J］.電測與儀表，2009(12):99－101.