礦用組合開關用綜保接口模塊的設計

李瑞

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

礦用組合開關用綜保接口模塊的設計

李瑞

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

針對集中式和分立式綜保的局限，設計了集中控制各個分立綜保的接口模塊，介紹了該模塊的結構，詳細介紹了該模塊的硬件電路和軟件流程。測試結果表明，該設計能滿足現(xiàn)場運行的要求。

煤礦;組合開關;接口

1 引言

隨著煤礦井下生產(chǎn)能力和自動化程度的不斷提高，對采掘工作面設備的控制已由獨立開關發(fā)展到了組合開關［1］。組合開關將多個用電設備的開關控制回路以及監(jiān)控主控制回路集中起來，簡化了電纜連接，減少了生產(chǎn)安裝和維護的工作量，特別是方便了綜采完畢后的快速移面，提高了生產(chǎn)效率［2］。組合開關的綜保對各路開關的電氣參數(shù)、運行參數(shù)、故障信息等進行監(jiān)控或保護［3］。集中式的綜保，接線復雜，維護麻煩;分立式的綜保難于解決各回路的耦合控制。采用集中和分立相結合的方式為較佳選擇，為此，本文結合嵌入式技術和總線技術設計組合開關用接口模塊實現(xiàn)集中控制分立的綜保，分立的綜保實現(xiàn)現(xiàn)場設備運行參數(shù)采集、運行狀態(tài)在線監(jiān)控以及故障保護［1］。

2 接口模塊的構成

接口模塊是由多個電路組成的模塊化結構，如圖1所示。

主控板主要由控制單元、電源電路、先導電路、CAN收發(fā)電路、鍵盤接口、語音報警電路、開關量輸入端口、復位電路組成。

接口模塊通過CAN總線與各個分立綜保構成完整的控制系統(tǒng)。CAN總線具有高性能和可靠性的特點，為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了技術支持。

圖1 接口模塊的結構圖

3 硬件電路

3.1 控制單元

控制單元選用嵌入式芯片LPC2378作為主控芯片。LPC2378是一款基于ARM的處理器，具有512KB的 FLASH，CAN、I2C、SPI等接口［4］，簡化了外圍電路。

3.2 電源電路

先導電路是控制主回路開合時最先接收指令的控制電路，必須是本質(zhì)安全型的［5］。選用DC15V的本質(zhì)安全型電源，DC15V本質(zhì)安全電源一方面給先導電路供電，一方面經(jīng)過DC/DC模塊轉(zhuǎn)換成5V電源給鍵盤接口供電。

3.3 先導電路

先導電路由信號產(chǎn)生電路、信號采集電路、信號鑒別和執(zhí)行電路組成［5］。該電路能采集先導的啟動、停止、電纜短路或斷路、二極管接反等狀態(tài)。在控制電纜出現(xiàn)短路或斷路時，先導電路能防止誤啟動。

3.4 CAN收發(fā)電路

各個分立綜保通過CAN總線主動發(fā)送故障信息，其他信息則被動發(fā)送。CAN收發(fā)電路原理圖如圖2所示，利用LPC2378的片內(nèi)CAN總線控制器，外加CAN收發(fā)器MCP2551完成CAN通信收發(fā)電路。在引腳CANH和 CANL之間并聯(lián)一個120Ω的終端電阻［6］，可以解決遠近端阻抗不匹配的問題。ADUM1201起隔離作用。

圖2 CAN收發(fā)電路原理圖

3.5 鍵盤接口

采用簡潔、美觀、耐用的金屬鍵盤作為人機交互的輸入設備。金屬鍵盤與控制單元之間采用光電耦合器，實現(xiàn)信號隔離。

3.6 語音報警電路

語音報警電路選用ZY1730模塊作為主芯片。LPC2378通過片內(nèi)四線SPI接口來實現(xiàn)對ZY1730的串行通訊。SP+和SP-通過功放驅(qū)動揚聲器。語言報警電路如圖3所示。

圖3 語言報警電路

3.7 復位電路

看門狗、JTAG、手動均能引起控制單元復位，復位電路原理圖如圖4所示。

圖4 復位電路原理圖

3.8 開關量輸入端口

8路開關量輸入端口用于檢測隔離開關狀態(tài)，采用光耦芯片實現(xiàn)光電隔離。

4 軟件設計

接口模塊的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

模塊初始化主要包括晶振初始化、I/O端口初始化、總線模塊初始化等。

根據(jù)煤礦井下采煤工作面設備運行實際，控制系統(tǒng)須實現(xiàn)單機控制、順序控制［1］、雙速控制等多種控制方式。在單機控制方式下運行時，各個分立綜保相互獨立，單獨控制各自回路的運行;接口模塊分別控制各個分立綜保，進行各回路的啟動和斷開操作。選用順序控制方式時，接口模塊依次延時發(fā)送啟動命令給順序控制回路的分立綜保，以啟動對應回路。在這個過程中，任意一個回路啟動失敗，則停止啟動過程并停止已啟動的回路。若任意回路發(fā)生故障，則其他所有回路立即斷開。雙速控制用于啟動帶有雙速電機的回路，低速先啟，高速后啟。啟動過程中，低速過程不能滿足延時或電流原則，則不會轉(zhuǎn)到高速過程。

先導狀態(tài)主要有啟動、停止、控制電纜短路和斷路以及二極管接反等。

通過CAN總線，各個分立綜保與接口模塊進行信息交換。接口模塊循環(huán)讀取各個回路的電流值、電壓值、功率值、電量、絕緣值等信息;接口模塊寫額定電流值、短路倍數(shù)、啟動、停止等信息給分立綜保;分立綜保把故障信息主動寫給接口模塊。接口模塊接收到故障信息后，通過SPI接口輸出語音信號。語音信號報告報警鈴聲和故障類型。

鍵盤用于選擇控制方式、設置定值、故障復位。

6 結語

礦用組合開關用綜保接口模塊能準確、及時地與分立綜保交換數(shù)據(jù)，準確、可靠地啟停各個回路。經(jīng)過反復調(diào)試和測試，結果表明，總線通信過程數(shù)據(jù)誤碼率低，響應速度快，可以動態(tài)增加和減少分立綜保的數(shù)目。該接口模塊能夠滿足現(xiàn)場運行的要求。

［1］ 朱成杰，歐陽名三，高俊嶺．基于嵌入式系統(tǒng)的礦用組合開關控制系統(tǒng)的設計［J］．工礦自動化，2009(4):65－68．

［2］ 馮川放．基于ARM11的礦用大容量組合開關控制系統(tǒng)的設計［J］．長春工程學院學報(自然科學版)，2010，11(1):41 －44．

［3］ 宋紅衛(wèi)，陳和權．高壓防爆開關綜合保護器設計及抗干擾研究［J］．工礦自動化，2010(8):102 －105．

［4］ 周立功單片機．LPC2000系列 ARM［EB/OL］．［2012—06—20］．http://www．zlgmcu．com/philips/arm/lpc2300．a(chǎn)sp．

［5］ 李思光．新型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型先導電路設計［J］．工礦自動化，2012(6):17－20．

［6］ 史久根，張培仁，陳真勇．CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計技術［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004．

Design of Interface M odule Used for M ine Assembled Sw itch

LIRui
(Tiandi(Changzhou)Automation Co.，Ltd.，Changzhou 213015，China)

In view of problem of limitations on centralized and vertical comprehensive protector，a interfacemodule with centralized vertical controlling comprehensive protector vertical was designed．Structure of the module was introduced，and hardware and software of themodule were introduced in details．The test result showed that the design can meet the requirements of field operation．

coalmine，assembled switch，interface

TD611

B

1004－289X(2013)03－0041－03

2013－03－10

李瑞(1983－)，男，山東棗莊人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事煤礦電氣產(chǎn)品的設計與開發(fā)工作。