基于雙微處理器的饋電開關(guān)智能保護(hù)器模塊的設(shè)計(jì)

姜德昌，杜金滿，薛俊國(guó)

(1．河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2．唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院;3．開灤集團(tuán)錢家營(yíng)礦，河北 唐山 063000)

1．引言

礦用隔爆型饋電開關(guān)作為配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到煤礦井下的生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代化采煤技術(shù)的推廣，對(duì)供電系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高的要求。因此研發(fā)高水平、高性能的智能饋電開關(guān)已勢(shì)在必行。

目前，國(guó)產(chǎn)礦用隔爆型饋電開關(guān)采用兩類保護(hù)。

第一類是熔斷器和過流繼電器保護(hù)，第二類是由分立元件、集成電路組成的電子保護(hù)器。第一類保護(hù)的元件本身存在著離散性，使開關(guān)整定、更換不便;第二類保護(hù)雖然保護(hù)性能有所提高，但存在著信號(hào)采集電路、輸出接口電路故障率高、內(nèi)部供電電源輸出穩(wěn)壓效果差、程序容易丟失等缺陷。從而造成保護(hù)不動(dòng)作或誤動(dòng)作，給現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員帶來諸多不便，難以適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需要。針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于DSP微處理器的礦用隔爆饋電開關(guān)智能保護(hù)器模塊。該模塊可以對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示電網(wǎng)的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)漏電、過電流和過電壓保護(hù)及聯(lián)網(wǎng)通訊等功能。

2．設(shè)計(jì)原理

2．1 模塊硬件設(shè)計(jì)

模塊硬件基于模塊化設(shè)計(jì)思想，分為DSP微處理器系統(tǒng)模塊、模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、通訊接口模塊及電源模塊。所有元器件均安裝在一塊長(zhǎng)200毫米，130毫米的四層印刷電路板上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。上層安裝微處理器模塊、模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊和通訊接口模塊;中間第一層為數(shù)據(jù)線布線;中間第二層為電源布線;下層為人機(jī)接口模塊和電源模塊。模塊硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模塊硬件系統(tǒng)圖

2．1．1 微處理器模塊:以先進(jìn)DSP TMS320F283、ATMEGA128A微處理器為核心進(jìn)行雙芯片工作。TMS320F283是TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片，采用高性能CMOS技術(shù)，具有150M的工作頻率，微處理器為32位定點(diǎn)低功耗，其32X32位的MAC操作及8級(jí)流水線技術(shù)，使程序的執(zhí)行不用高速存儲(chǔ)器也能達(dá)到極高的速度，大部分指令能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。在1S內(nèi)可執(zhí)行1000萬條指令。片上存儲(chǔ)器包括512KB的閃存與68KB的RAM，代碼安全模塊具有128位密碼保護(hù)，從而保證相關(guān)寄存器的安全，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。TMS320F283主要承擔(dān)漏電、過電壓和過電流等信號(hào)的高精度數(shù)據(jù)采樣及處理。ATMEGA128A采用先進(jìn)的RISCJ結(jié)構(gòu)，帶有硬件乘法器;128K的FLASH，4K的SRAM。串行時(shí)鐘部分采用了PFC8563芯片。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的12位逐次逼近串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，采用SPI接口方式。ATMEGA128A主要承擔(dān)先進(jìn)的保護(hù)算法、邏輯判斷、顯示和定時(shí)存儲(chǔ)等任務(wù)。

2．1．2 模擬量輸入模塊:采集處理煤礦井下電網(wǎng)的三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)、零序電流信號(hào)、零序電壓信號(hào)及電網(wǎng)絕緣超前檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0—5V的電壓信號(hào)，送入DSP微處理器系統(tǒng)模塊，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。

通常電流或電壓檢測(cè)一般采用采樣電阻、互感器和霍爾傳感器。采樣電阻的信號(hào)處理電路與主電路存在非隔離性，抗干擾能力差且易損壞;互感器在測(cè)量含有諧波分量的電流或電壓時(shí)誤差較大，難以準(zhǔn)確測(cè)量電流或電壓的瞬時(shí)值;霍爾傳感器要求其供電電源穩(wěn)定，測(cè)量值受環(huán)境溫度和磁飽和影響較大。針對(duì)上述問題，在模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)中，采用CT20型無源交流隔離傳感器。它不需要供電電源，測(cè)試數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于霍爾傳感器。模擬量輸入模塊通道為14個(gè)，見表1。

模擬量輸入模塊通道為模塊的左側(cè)接線端子。

2．1．3 開關(guān)量輸入輸出模塊:開關(guān)量輸入模塊從外面引人智能保護(hù)器模塊的開關(guān)量，如風(fēng)電閉鎖、瓦斯報(bào)警、遠(yuǎn)方分勵(lì)和真空斷路器的常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)等。由光電耦合隔離電路處理后，將信息送至微處理器系統(tǒng)模塊;開關(guān)量輸出模塊是從智能保護(hù)模塊送出的開關(guān)量，如跳閘指令，報(bào)警信息等。由光電耦和隔離電路處理后，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)漏電、過電流和過電壓保護(hù)及聯(lián)網(wǎng)通訊等功能。開關(guān)量輸入輸出模塊通道為17個(gè)，見表2。開關(guān)量輸入輸出模塊通道為模塊的下側(cè)接線端子。

表1 模擬量輸入模塊通道

表2 開關(guān)量輸入輸出模塊通道

2．1．4 人機(jī)接口模塊:包括液晶顯示器和按鈕組。按鈕組用來對(duì)各種電氣參數(shù)進(jìn)行定值調(diào)整、保護(hù)試驗(yàn)、信息查詢等。通過按鈕移位，確認(rèn)可顯示當(dāng)前整定的各種參數(shù)。液晶顯示器選用了MGLS12864型液晶顯示模塊，通過74LS164串人并出口將要顯示的內(nèi)容送到液晶顯示模塊。采用菜單式人機(jī)交互界面，操作直觀簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)顯示饋電開關(guān)的分閘合閘狀態(tài);電網(wǎng)電壓、三相電流、有功功率、功率因數(shù);電網(wǎng)的絕緣電阻;瓦斯?jié)舛?、風(fēng)電閉鎖;故障類型、故障參數(shù);當(dāng)前時(shí)間等。當(dāng)井下電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于維修人員判斷故障類型，提高處理故障的效率，減少井下電網(wǎng)停電時(shí)間。

2．1．5 通訊接口模塊:具有RS－485和RS－232通訊接口，與上位控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)或其它控制設(shè)備通信，向控制系統(tǒng)提供被保護(hù)對(duì)象的各項(xiàng)電氣參數(shù)，接受控制指令，實(shí)現(xiàn)電器的遠(yuǎn)動(dòng)操作和動(dòng)作參數(shù)的遙控。

2．1．6 電源模塊:采用雙TL494脈寬調(diào)制開關(guān)控制電路。微處理器系統(tǒng)模塊的5V電源為一路單獨(dú)供電，該電源設(shè)計(jì)為多級(jí)限流限壓保護(hù)，確保微處理器系統(tǒng)模塊不受電網(wǎng)電壓的影響，系統(tǒng)程序不會(huì)丟失;漏電檢測(cè)和人機(jī)接口的電源為本質(zhì)安全型，確保其外部接線短路，不會(huì)引發(fā)瓦斯煤塵爆炸事故。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件編程主要包括模塊:主程序模塊、初始化模塊、信號(hào)處理模塊、采樣與保護(hù)算法模塊、監(jiān)控與故障處理模塊等。

2．2．1 主程序設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，饋電開關(guān)保護(hù)器的主程序采用了循環(huán)方式來執(zhí)行信號(hào)的采集、故障的判斷、參數(shù)分析、及故障處理等功能，它將保護(hù)器的各個(gè)功能模塊按照預(yù)先設(shè)計(jì)設(shè)定的步驟整合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的監(jiān)控與保護(hù)功能。保護(hù)器主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

2．2．2 初始化模塊，建立任務(wù)間通信的信號(hào)量、消息隊(duì)列及任務(wù)隊(duì)列，分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)，所有新建任務(wù)為就緒狀態(tài)。系統(tǒng)在接到控制系統(tǒng)的命令后，應(yīng)立即按照指令動(dòng)作，故通信和保護(hù)應(yīng)有較高的實(shí)時(shí)性。電壓、電流等模擬信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換是智能保護(hù)器模塊工作的基礎(chǔ)，為了保證嚴(yán)格的時(shí)間間隔要求，軟件中模擬信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換由中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，中斷結(jié)束后，系統(tǒng)調(diào)度程序調(diào)用就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)。

2．2．3 信號(hào)處理模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、有效值計(jì)算等，通過檢測(cè)，獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，DSP完成各種故障的分析判別。對(duì)電流和電壓采樣時(shí)，每個(gè)周波采樣12個(gè)點(diǎn)，即兩個(gè)采樣點(diǎn)之間間隔1．67ms，在此時(shí)間段可安排一組任務(wù)。在執(zhí)行外部任務(wù)過程中程序轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行其他任務(wù)。

2．2．4 采樣算法設(shè)計(jì)

采樣算法采用兩點(diǎn)乘積法，兩點(diǎn)乘積法利用1/4周波的時(shí)間就可計(jì)算出正旋波信號(hào)的最大值，從而縮短采樣時(shí)間，加快保護(hù)的響應(yīng)。

式2－1和式2－2表明，通過計(jì)算我們可以很容易得到出電流的有效值、相位等參數(shù)，為保護(hù)器的相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作提供依據(jù)。

2．2．5 保護(hù)算法設(shè)計(jì)

保護(hù)算法采用反時(shí)限保護(hù)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)先存人反時(shí)限動(dòng)作曲線的電流值和相應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間，當(dāng)采樣算法計(jì)算出電流值后，將該值和額定值相比，然后查表，求出動(dòng)作時(shí)間，通過定時(shí)器延時(shí)后發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)。定時(shí)過程中，仍然對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。如果電流值發(fā)生變化，則根據(jù)發(fā)熱效應(yīng)相等的原則隨時(shí)調(diào)整動(dòng)作時(shí)間。

4．結(jié)語

該通用型智能保護(hù)器模塊吸取了當(dāng)前各種型號(hào)智能保護(hù)器的優(yōu)點(diǎn)，通用性強(qiáng)，可與任何型號(hào)的礦用隔爆饋電開關(guān)配套使用;模塊化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聯(lián)線少，工作可靠;微處理器系統(tǒng)模塊以先進(jìn)的DSP TMS320F283和Atmega128A微處理器為核心進(jìn)行雙芯片工作，具有高速的運(yùn)算能力和完備的存儲(chǔ)記憶能力;電源模塊設(shè)計(jì)為雙電源，確保微處理器系統(tǒng)模塊可靠工作具有完善的漏電、過電流、過電壓保護(hù)功能、液晶顯示和聯(lián)網(wǎng)通訊等功能，該模塊進(jìn)行了工業(yè)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求，實(shí)踐表明:該模塊可大大地提高煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性。

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