一種新型的煤礦井下高壓防爆開(kāi)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

蔣軍 JIANG Jun

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮南232001）

0 引言

傳統(tǒng)的井下高壓防爆開(kāi)關(guān)保護(hù)器通常采用單片機(jī)作為核心控制器件，配以A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路構(gòu)成控制系統(tǒng)。在煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境中抗干擾能力差、可靠性較低。本文設(shè)計(jì)的基于和利時(shí)LM3108G型PLC為核心的綜合保護(hù)器充分利用了PLC的高可靠性，在具備傳統(tǒng)保護(hù)器的各種保護(hù)功能之外，重點(diǎn)設(shè)計(jì)出保護(hù)器的后備電源系統(tǒng)，使之在斷電1到2小時(shí)內(nèi)保證保護(hù)器的正常工作，而且電源質(zhì)量也得到了保證。

按照模塊化設(shè)計(jì)的思路，可將其硬件分為以下模塊：中央單元模塊、電源系統(tǒng)模塊、模擬量采集模塊、人機(jī)接口模塊、I/O模塊、通信模塊等。

下面本文將重點(diǎn)對(duì)中央單元模塊、模擬量采集模塊、電源系統(tǒng)模塊、人機(jī)接口模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 中央單元設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，選擇合適的中央處理單元是設(shè)計(jì)的第一步。對(duì)于裝置的功能實(shí)現(xiàn)有重要的意義。而對(duì)于中央處理單元的選擇上，根據(jù)功能的需要可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

①運(yùn)算速度：在本裝置中為滿(mǎn)足保護(hù)的快速性，要求每個(gè)周期進(jìn)行32點(diǎn)的采樣，這同時(shí)也就要求中央處理單元在0.625 mS內(nèi)必須完成程序的運(yùn)行。②擴(kuò)展性：在滿(mǎn)足了運(yùn)算速度的同時(shí)，出于對(duì)裝置后期的研發(fā)作為參考，應(yīng)選擇在未來(lái)使用前景較好的機(jī)型。便于以后的研發(fā)和在保護(hù)功能上的擴(kuò)展。③功能：所選中央處理模塊應(yīng)能滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的要求。尤其是接口功能的滿(mǎn)足。在此之上也應(yīng)綜合考慮合適的性?xún)r(jià)比。以及適用場(chǎng)合的特殊要求。④中央處理單元應(yīng)有良好的兼容以及穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)上述要求的綜合考慮，在本設(shè)計(jì)中，選用了和利時(shí)的LM3108G型PLC作為中央單元，該P(yáng)LC本身集成了I/O模塊和通信模塊，有效的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，也是對(duì)模塊化設(shè)計(jì)思想的貫徹。

和利時(shí)LM3108G型PLC（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“LM3108G”）集成24點(diǎn)輸入和16點(diǎn)晶體管輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，最多可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊。具有3點(diǎn)100kHz單相高速計(jì)數(shù)器和2點(diǎn)100kHz兩相高速計(jì)數(shù)器，具有2路20kHz高速脈沖輸出功能。1個(gè)RS232串行通訊接口和1個(gè)RS485串行通訊接口，支持專(zhuān)有協(xié)議、MODBUSRTU從站協(xié)議和自由協(xié)議，是一款適用于較復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器。

2 模擬量采集電路

通常對(duì)于模擬量的采集包括兩部分，分別是模擬量輸入以及A/D。對(duì)于保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)需要輸入的交流信號(hào)主要有兩相的電流值，三相電壓，零序電壓、零序電流和監(jiān)視線(xiàn)等合計(jì)八路模擬信號(hào)。首先需要通過(guò)電壓和電流互感器等信號(hào)通過(guò)交流量調(diào)理電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換然后經(jīng)過(guò)濾波等環(huán)節(jié)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便于PLC進(jìn)行處理，（LM 3108G需要另配A/D轉(zhuǎn)換模塊），在此之前要對(duì)輸入的交流量進(jìn)行一定的處理。

2.1 電壓、電流的采集

通常情況下，對(duì)于保護(hù)裝置會(huì)采用兩個(gè)互感器的方法將模擬量信號(hào)采入。第一個(gè)互感器是把一次線(xiàn)路中的大電流變換為小電流，通常輸出為5A較為固定，從而實(shí)現(xiàn)了高壓和低壓電路在電路上的分離。第二個(gè)互感器采用了小型精密的交流電壓、電流互感器，將5A的電流按照需要進(jìn)行變換。

本裝置中選用西安瑞豐公司的RPT-202B電壓互感器和RCT-201B電流互感器。該型號(hào)互感器經(jīng)試驗(yàn)線(xiàn)性度良好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接焊裝在印刷線(xiàn)路板上，而且成本較低。其電路如圖1所示。

圖1 互感器的應(yīng)用電路

RPT-202B是一種電流型測(cè)量用精密電壓互感器。圖中，R3、R4為限流電阻，保證額定輸入電流為2mA?；ジ衅鞲边叺碾娐肥请娏?電壓變換電路，便于送入A/D轉(zhuǎn)換。調(diào)整圖中反饋電阻R1的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調(diào)電阻R2是用來(lái)補(bǔ)償相移的。電容C2是1000pF的小電容，用于去耦和濾波。兩個(gè)反接的二極管是起保護(hù)運(yùn)算放大器作用的，也可用一個(gè)100Ω左右的電阻代替。運(yùn)算放大器視精度要求使用，我們使用的是LM324。RCT-201B是測(cè)量用穿心式精密電流互感器，其應(yīng)用電路及原理同電壓互感器的應(yīng)用電路基本相同。

2.2 前置低通濾波電路

據(jù)香農(nóng)采樣定理，為了在頻譜上防止有“混疊效應(yīng)”的出現(xiàn)，要求信號(hào)最高頻率要小于采樣頻率的1/2，在此可以通過(guò)前置的低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻成分進(jìn)行濾除。本裝置采用了二階RC無(wú)源低通濾波器。如圖2所示。

圖2 二階RC無(wú)源低通濾波器

其傳遞函數(shù)：

從傳遞函數(shù)表達(dá)式中可知極點(diǎn)為恒小于零，所以濾波器呈現(xiàn)單調(diào)衰減的特性。為了達(dá)到更好的濾波效果還需要與數(shù)字濾波相結(jié)合。

對(duì)于監(jiān)視線(xiàn)采用了雙極點(diǎn)Sallen-Key濾波器（如圖3）：

圖3 Sallen-key濾波器

其傳遞函數(shù)為：

式中：

這里只需對(duì)R1、R2或C1、C2按比例調(diào)整便可以得到所需要的ωc的值。

3 電源單元

由于綜保裝置需要多種電源，在高壓隔爆開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，一般供電電源取自互感器的二次側(cè)100V作為保護(hù)裝置的供電電源，電源性能的好壞會(huì)直接影響到保護(hù)裝置的性能。保護(hù)裝置中，由于電源取自高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)，工作井下環(huán)境惡劣，且裝置包含多種作用不同的功能塊，不僅有模擬電路又有數(shù)字電路，對(duì)電源的要求也不盡相同，這就給電源部分的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

工作電源通過(guò)充電適配器轉(zhuǎn)換成為24V直流電，一方面為直流蓄電池充電；另一方面，通過(guò)相應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換電路為綜保裝置供電。當(dāng)直流電池充滿(mǎn)電后，處于“離線(xiàn)”狀態(tài)。當(dāng)外接電源斷電，直流電池組立即進(jìn)入工作狀態(tài)，持續(xù)向PCB電路板提供穩(wěn)定的24V電源輸出。

電源可由PCB板上轉(zhuǎn)換電路，分解為：+5V、+12V、-12V、+24V、合閘用+24V等電源輸出，供保護(hù)裝置使用，維持其正常工作。這里，直流蓄電池的設(shè)計(jì)容量為2AH，實(shí)驗(yàn)表明保護(hù)裝置一般工作電流在1A以下。因此，維持保護(hù)裝置在停電狀態(tài)下，保證綜保裝置正常工作時(shí)間不小于2個(gè)小時(shí)。這樣會(huì)極大地提高了井下電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

從圖中可知，24V備用電源的輸出連接到穩(wěn)壓濾波電路上，經(jīng)過(guò)電容濾波及一個(gè)整流器輸出24V，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波整流器輸出的24V一路用來(lái)提供DC/DC的輸入，一路用來(lái)直接輸出驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。經(jīng)過(guò)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換之后，輸入DC/DC的24V轉(zhuǎn)換成一正一負(fù)的12V兩路輸出連接到穩(wěn)壓濾波電路上，經(jīng)過(guò)電容電感濾波輸出的12V有兩路直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，分別為一正一負(fù)。另外兩路中有一路連接到Lm1066上，經(jīng)過(guò)Lm1066分壓電路，輸出的5V直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，剩下的一路輸入5 DC/DC，經(jīng)過(guò)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換之后輸出的24V連接到濾波電路上，經(jīng)過(guò)高頻濾波輸出的24V用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。另外，在模擬量采集環(huán)節(jié)中由于需要將電壓抬升1.25V。因此，這里選用REF3112實(shí)現(xiàn)將+5V轉(zhuǎn)為+1.25V如圖4所示。

圖4 電壓抬升電路

4 人機(jī)交互單元

在保護(hù)裝置中，操作人員需要對(duì)保護(hù)的進(jìn)行監(jiān)視、整定、查看故障信息等，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及故障發(fā)生情況也應(yīng)通過(guò)顯示各監(jiān)測(cè)量以及故障報(bào)警的方式進(jìn)行告知，從而形成人機(jī)交互。

4.1 鍵盤(pán)單元

由于保護(hù)裝置安裝在高壓防爆開(kāi)關(guān)的內(nèi)部，通常情況下門(mén)板上整定按鍵較少，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)盡量簡(jiǎn)化按鍵，保護(hù)裝置設(shè)有3個(gè)按鍵，分別是整定一、整定二和復(fù)位鍵。由于從電源產(chǎn)進(jìn)入的干擾有可能對(duì)數(shù)字部分產(chǎn)生一定的影響，因此，可以先使用光耦進(jìn)行隔離處理。處理器讀取低電平來(lái)識(shí)別按鍵的按下，當(dāng)沒(méi)有按鍵按下時(shí)仍保持高電平。由于按鍵按下時(shí)在暫態(tài)過(guò)程中會(huì)有一定的震蕩，從而可以在軟件上進(jìn)行處理來(lái)消除抖動(dòng)的影響。

4.2 顯示單元

使用液晶顯示器來(lái)進(jìn)行保護(hù)狀態(tài)以及故障信息的顯示，具有小巧低功耗等特點(diǎn)。在工業(yè)控制及儀器儀表的設(shè)計(jì)制造中廣泛應(yīng)用。在本保護(hù)裝置中采用了OCM12864_4液晶模塊。本顯示器采用了點(diǎn)陣型T6963C控制器。顯示陣列為128×64。由處理器的的外部接口進(jìn)行對(duì)顯示器的存儲(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。

5 抗干擾設(shè)計(jì)

由于保護(hù)裝置的安裝地點(diǎn)特殊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于其工作可靠性也是對(duì)保護(hù)設(shè)計(jì)的主要要求之一。從保護(hù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這里的可靠性包含了不誤動(dòng)和不拒動(dòng)這兩方面的要求。要做到這兩方面首先在保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)中要對(duì)抗干擾性能進(jìn)行加強(qiáng)。通常情況下，保護(hù)裝置的干擾來(lái)自于以下幾個(gè)方面：

①來(lái)自電源的干擾。

在實(shí)驗(yàn)中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)來(lái)自電源的干擾對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響最大而且也最為頻繁。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，浪涌、接地不良、互感器的絕緣下降等諸多方面都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。而且這種影響也較為復(fù)雜，除了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備原因之外，在硬件設(shè)計(jì)中要對(duì)電源部分多加注意，加強(qiáng)器抗干擾的能力。

②輸入輸出接口引入的干擾。

輸入輸出接口引入的干擾通?？梢苑譃槿?lèi)即操作外設(shè)引起的干擾、電路板中臨近信號(hào)線(xiàn)路間的相互干擾和電源線(xiàn)路對(duì)信號(hào)線(xiàn)路的干擾、現(xiàn)場(chǎng)干擾。較為普遍的是分合閘過(guò)程中瞬間的突變量較大從而引起的信號(hào)線(xiàn)中的干擾引入。這對(duì)于處理器的工作有很大的影響。

③來(lái)自空間的電磁干擾。

由于井下變電所空間有限系統(tǒng)的一次設(shè)備距離保護(hù)的安裝出也比較近。由于這些高電壓設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的空間電磁場(chǎng)。因此對(duì)同在附近的保護(hù)裝置也有一定的影響。通?？梢酝ㄟ^(guò)保護(hù)裝置的外殼來(lái)進(jìn)行空間電磁干擾的防護(hù)。

由于干擾的產(chǎn)生種類(lèi)較多，定量的分析也比較困難。根據(jù)一般的硬件設(shè)計(jì)在抗干擾方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)我們可以從以下幾個(gè)方面入手來(lái)降低或者消除干擾的影響，保證裝置的正常工作。這些手段包括：

①接地的抗干擾措施。

接地是在硬件抗干擾設(shè)計(jì)中較為常用的方法。有效的接地和屏蔽的使用對(duì)于很多的干擾問(wèn)題都可以解決。具體說(shuō)，裝置的接地包括了數(shù)字地、模擬地、通信地、機(jī)殼地、電源地等。使用接地的目的是為了盡可能的減小該處的接地阻抗。

1）模擬部分的接地可采用單點(diǎn)接地法，即每個(gè)電壓電流通道自形成系統(tǒng)，有各自電源線(xiàn)及地線(xiàn)。電源線(xiàn)和地線(xiàn)最后連接到設(shè)備的電源端，以減小公共接地元件因接地的阻抗不同而造成的模擬信號(hào)之間的耦合。

2）這設(shè)計(jì)中要把模擬地與數(shù)字地分開(kāi)，以減少模擬部分對(duì)于數(shù)字部分的干擾。而且對(duì)于接地線(xiàn)應(yīng)該盡量的保證短而粗。

3）接地線(xiàn)應(yīng)盡可能的形成閉合的環(huán)路。這樣可以有效的減少地線(xiàn)間的電壓差，并對(duì)電路的抗造性能加以提高。將中間兩層作為電源層與地線(xiàn)層，這樣在兩層中間可以產(chǎn)生電容以保持電源質(zhì)量。

4）要將保護(hù)的機(jī)殼有效接地，這里的地指大地。從而對(duì)空間中存在的電磁干擾以及靜電等加以屏蔽。在現(xiàn)場(chǎng)使用中會(huì)將保護(hù)器的外殼與高防開(kāi)關(guān)有效接觸從而通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)外殼有效接地。

②模擬量采集的抗干擾措施。

本文的電源設(shè)計(jì)部分采用了二階無(wú)源RC濾波以及Sallen-key等低通濾波器。對(duì)于高頻信號(hào)進(jìn)行有效的濾除以防止發(fā)生干擾。

③PLC本身的抗干擾。

LM3108G本身就具有優(yōu)良的抗干擾能力，包括輸入輸出的光電耦合等，這也是選取其作為中央控制單元的原因之一。另外，保護(hù)器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的外殼也起到了一定的抗干擾效果。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)選用了LM3108G作為保護(hù)器的核心，提高了裝置的性能，并對(duì)其外圍設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。通信方面，保護(hù)器同時(shí)采用了RS-485和RS232通信，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。重點(diǎn)保護(hù)器的電源部分，尤其是設(shè)計(jì)了UPS電池作為保護(hù)的后備電源。即使在斷電的情況下仍能保證保護(hù)器正常工作1-2小時(shí)，方便通信和故障信息的上傳。