电气工程专业论文-煤矿井下电气设备智能保护单元的研究

I本文将电子技术和微机技术应用到煤矿井下电气设备的智能保护中，并借鉴电力系统微机继电保护的成熟经验，研制了一种集保护、控制、测量、显示、整定、自诊断及通讯等功能为一体的新型煤矿电气设备智能保护。本装置具有漏电闭锁、短路、过载、断相、欠压、过压等保护措施，并且采用液晶显示器对运行情况及故障情况进行显示，还设有故障查询系统和通讯系统；软件编程采用了模块化结构，便于系统的升级，此外，还研究了智能保护单元中的抗干扰问题。usedinintelligentprotection.Drawingonripeexperienceofwithprotection,control,measuring,display,setting,self-diagnosisandprotectivestepsofleakagelocking,short-circuit,overload,phase-failure,1.1煤矿井下电气设备的电气保护现状目前煤矿井下电气设备的电气保护主要有过流保护、漏电保护和接地保护三种类型。煤矿电气设备有矿用一般型高压开关柜、高压防爆配电装置、移动变电站(或矿用变压器)、馈电开关以及磁力起动器等，其电气保护装置类型多样，功能各异。矿用一般型高压开关柜主要用于煤矿地面变电所、井下中央变电所、低瓦斯矿井的井底车场、总进风巷和主要进风巷，其通用的继电保护装置一般均以电磁感应式为主，整个系统包括继电器、电流互感器及断路器等几部分，能够实现反时限的过载、定时限的过流、瞬动短路、失压或欠压保护功能以及漏电保护(又称为接地保护)等功能。这种保护方式的结构简单，并且现场具备一定的维护能力。但随着技术的进步，这种电气保护方式和保护设备将由电磁感应式、晶体管式、集成电路式继电器向微处理器式及数字式继电器方向发展。目前煤矿井下采区变电所、综采工作面在使用的高压防爆配电装置主要有PB系列、BGP系列等。在使用着的部分油断路器的高压防爆配电装置，其保护执行机构一般为过流、高压漏电绝缘监视脱扣器和失压脱扣器等。由于机械弹簧易老化疲劳、保护整定不准确及经常误动作等，使之操作不便，使用维护困难。而近几年推广的高压防爆真空配电装置均采用高压真空断路器、综合保护器(或电子继电保护单元)以及电能计量装置等，具有漏电监视、过流、失压及过压等保护功能，并具备显示电压、电流和故障类型等功能。煤矿井下低压供电系统的电气保护装置大多是作为插件安装在开关设备内部，与主回路电器配合完成相应的电气保护功能，当前广泛使用的KBZ系列真空馈电开关的QJZ系列真空磁力起动器，它们的保护装置主要有DT3电子脱扣保护器、CMOS电子保护系统和ABD8电机综合保护器三种，其中以ABD8电机综合保护器的使用量最大，这种保护装置具备过载、断相、短路、欠压、失压和漏电闭锁保护功能。我国研究开发的多种地面和井下用的高压检漏保护和监视保护装置的工作原理主要有补偿电流型、电流方向型及功率方向型等。大多数采用功率方向相敏脉冲比较或相敏绝对值比较原理构成，具有选择性。其中用于地面和井下中央变电所的多为集中选线型；用于采区变电所的均包括漏电监视、过载、断相、短路保护的综合保护装置，并与开关配套使用。国产低压检漏继电器绝大多数为矿用隔爆型，继电器电路均采用附加直流电源原理进行漏电保护，也有设计为选择性漏电保护的检漏继电器，总馈电开关的漏电延时电路仍采用附加直流电源的保护方式；漏电保护及漏电闭锁电路采用集成式逻辑电路，选择性漏电保护采用零序电流方向原理来实现，即根据零序电流和零序电压的相位关系来判断故障支路。1.2本文问题的提出及研究意义如上所述，目前煤矿井下使用的配电开关和控制开关在设计和制造时都设置了短路保护、过载保护、漏电保护和漏电闭锁保护功能，一些开关还采用了隔爆兼本质安全型防爆措施，保护装置大都采用了功能完善的电子电路，基本上能够满足《煤矿安全规程》的安全要求。生产实践表明，煤矿井下电气设备的使用仍然存在着很多的安全隐患，其中最为严重的是电气设备的保护功能不能充分发挥作用，其原因主要有以下几个方面：(1)、煤矿井下环境特殊，电气设备受危害的因素多，电气设备故障多；(2)、井下使用的各种开关的控制电路和保护电路广泛采用电子电路，造成电气设备故障处理、检修和维护的难度增加，使故障不能及时得到检修处理，造成电气设备在保护不完善或没有保护的状态下运行；(3)、电气设备内部电子元器件增多也使设备自身出现故障的机率增多；(4)、电气设备使用者不按生产厂家的要求操作，把电气设备的保护装置甩掉不用，使设备在缺少保护的情况下运行，例如：将馈电开关中的故障跳闸线圈封死，不让其跳闸，或者将磁力起动器中接触器电磁线圈回路的性不高。我国煤矿专用配电开关和控制开关生产厂家很多，而各厂家都有自己与众不同的设计方案，使设备的结构和电路原理有较大差异，这样就会造成企业配件储备困难、设备因缺少配件而得不到修复的现象。因此，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好、方便实用的煤矿井下电气设备智能保护单元是解决国内煤矿井下电气设备电气保护问题的关键。将电子技术微机技术结合起来应用于煤矿系统中的电机保护领域中，真正的形成机电一体化的智能保护模式，充分发挥微型计算机的强大的数据处理能力的多功能、智能化的保护系统，对于减少煤矿井下电气设备的安全隐患、确保煤矿安全生产具有一定的现实意义。本文在详细了解目前我国煤矿井下电气设备的电气保护现状及其智能保护单元需求的基础上，完成了适合我国煤矿井下电气设备使用的智能保护单元的样机研制工作。研制的煤矿井下电气设备智能保护单元所具备的主要功能有：a.计量功能时，漏电闭锁保护动作，禁止起动。当主回路对地绝缘电阻恢复到倍额定电流时，起动器短路保护动作。后起动器不能自动复位，故障消除后，需按复位按钮起动器才能自表1-1过载保护动作指标项号动作时间起动状态12h不动作冷态2小于20min或小于1151s冷态3小于3min或小于176s冷态小于13s冷态(5)过压、欠压保护。主回路电压工作在0.85-1.15Ue,超压，应立即停止工作，切断电源。(6)远控线路短路、断路保护。控制线路应具备短路和断路保护功能。当远方控制线路发生短路和断路时，应停止工作；但是，此时采用近控起动，仍能正常工作。能够对电机发生的漏电、短路、过载、缺相、过压、欠压、远控线路短路以及远控线路断路进行故障存储，并且存储故障发生时的故障时间、故障类型以及故障值大小等故障信息，当技术人员需要对系统进行有针对的检修时可以输入时间进行故障查询。息的显示。2智能保护单元的硬件电路设计2.1智能保护单元的总体结构设计煤矿井下电气设备智能保护单元的工作原理是，首先将检测的电信号分别经电压变送器和电流变送器，变成0～1V的电压信号，再经测量放大器放大成0～5V的电压信号，送至CPU,由CPU内A/D转换器将其变成数字信号后，CPU随即进行相应的计算和处理，计量数据经过总线缓冲驱动器显示在液晶屏上，CPU在对保护数据进行相应的逻辑判断后，通过总线缓冲驱动器对继电器直接操作或者发出闭锁信号。CPU定期对开关量输入状态、开关量工作状态及键盘、保护接口进行扫描和检测，完成对保护对象的状态监测和人机交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通过串口电路向调度中心发送数据或接收指令，复位电路能使系统自动复位。由于单片机具有性能高、速度快、价格低、体积小、稳定可靠、使用方便灵活等优点，因而常常被用在智能监控装置(仪器)控制中。由于智能保护单元必须在系统发生故障时及时判断出故障点并能及时切断故障电流；在系统正常工作时，控制单元必须有能力及时处理大量实时动态数据，因此智能保护单元对硬件CPU的实时性、快速性、准确性和多功能性要求很高，为此在硬件设计时选用了实时性和快速性都非常好的PIC16F877A单片机作为中央处理器。基于单片机PIC16F877A的智能保护单元的硬件总体结构框图如图2-1所示。由图可见，它主要由以下几个功能模块组成：a.由CPU、时钟电路和复位电路组成CPU最小工作系统。模拟开关、放大器以及CPU的A/D转换模块组成数据采集模块。c.12路开关量输入和3路开关量输出组成I/0功能模块。d.由4×4键盘和液晶显示组成的人机对话模块。e.由漏电闭锁模块、通信模块、联控模块、故障存储模块、实时时钟模块以及电源模块构成的智能保护单元的功能电路模块。总线缓冲器(二)总线缓冲器(一)位路复电2.2CPU最小工作系统的设计CPU最小工作系统由PIC16F877A单片机芯片、复位电路和晶振电路组成。CPU最小工作系统是整个控制单元的核心，它将经过A/D转换后的模拟信号，以及各类开关量信号送给CPU,CPU依据一定的算法和逻辑判断进行各种实时的处理，并生成和传送相应的控制命令和各种信息，对异常的情况迅速的做出反应，并且及时准确的分PIC16F877A是美国微芯公司所生产的单片机，具有以下一些优点：a.快速的数据处理能力在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的，即分时复用的，而PIC单片机采用了“哈佛总线结构”,就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样做的好处是便于指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。在本设计中采用4MHZ的晶振，每因此它具有快速的数据处理能力。写、阅读、调试、修改、交流带来了极大的便利。而MCS-51单片机的指令系统共有111条指令；MC68HC05单片机的指令系统共有89条指令。PIC系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数的指令为单周期指令，以利于提高执行速度。PIC系列单片机的功耗极低，是目前世界上功耗最低的单片机时钟下工作时耗电不超过2mA,在睡眠模式下耗电可以降到1uA以下。I/0端口驱动负载的能力较强，每个I/0引脚吸入和输出电流能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC系列单片机只有4种寻址方式，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比较容易记忆和操作。而MCS-51系列单片机则为7种寻址方式，同步数据传输的技术。串行接口和串行总线的设置，不仅大大的简化了单片机应用系统的结构，而且还极易形成产品电路的模块化结构。目前，松下、日立、索尼、夏普、长虹等公司，都在其大屏幕彩电等产品中引入了I²C技术。在本设计中使用I²C总线协议进行故障存储操作。2.2.2复位电路设计PIC16F877A的复位可以归纳成四类：人工复位、上电复位、看门狗复位、欠压复位。本设计所采用的复位电路原理图如下图2-2所示：图2-2手动复位电路原理图如图2-2所示，手动复位电路由电阻R1、R2及复位按钮组成。其作用：(1)上电复位功能。在复位按钮未被按下时，给单片机加电，当VCC上升到规定值1.6～1.8V时，就会产生一个复位信号，需经72ms+1024个时钟周期的延时，才会使单片机复位。此时电阻R1、R2对于引脚内部电路起到保护作用。(2)人工复位功能。无论是单片机在预定的正常顺序运行程序，还是出现单片机进入不可预知的某一个死循环(形成死机现象),都认为单片机在执行程序。单片机在执行程序期间，只要在人工复位端加入一个低电平信号，就会令其复位。当按钮按下时，在复位端就会产生一个低电平的复位信路是为了防止程序受干扰后跑飞而设计的，需与软件配合实现系统环从头开始运行。2.2.3晶振电路设计晶振电路作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片内部各个部分电路的工作提供系统时钟信号，也为单片机与其他外接芯片之间的通信以及与其他数字系统或者计算机系统之间通信，提供可靠的同步时钟信号。PIC单片机设计了4种类型的时基振荡方式：(1)标准的晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式XT;(2)高频的晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式HS(4MHz)以上；(3)低频的晶体振荡器/陶瓷谐振器振荡方式LP(32.768kHz);(4)外接电容元件的阻容振荡方式RC。图2-3给出了最常用的XT模式和RC模式两种振荡器所需的外接电路。其中RC振荡器需外接一条阻容支路，来构成一个自激多谐振荡器。如图2-3(a)所示。当电阻R和电容C分别取值4.7KΩ和22pF时，振荡器频率约为4MHz。XT模式振荡器需要外接一个石英晶体和两个电容，共同构成的一个自激多谐振荡器，如图2-3(b)所示，其工作频率取决于晶体的固有频率。当石英晶体为4MHz时，电容C1和C2均选为15pF。R(a)接RC(b)接晶体图2-3常用振荡器外接电路考虑到通信时的波特率的设置和相对误差值，所以在本设计中选用能产对于PIC系列中的任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真，再用任意一种廉价的烧写器完成程序的固化烧写，便形成一套最经济实用的开发系统。利用Microchip的在线串行编程技术可以对PIC的flash程序存储器进行在线串行编程时需要占用芯片1引脚MCLR/VPP作为低电压编程输入端，39引脚RB6/PGC为串行编程时钟输入端和40引脚RB7/PGD为串行编程数据输入端，除以上3个引脚外还有电源的两个引脚，因此MPLAB-ICD在线调试接口为一个5针接口，它可以使用MPLAB-ICD在线调试器方便地对完成的产品进行现场在线调试和程序烧写操作，十分方便。煤矿井下电气设备智能保护单元中需要采集的模拟信号有A相电流信号、B相电流信号、C相电流信号、电压信号、绝缘检测信号、远控信号和甲烷检测信号，这些信号经多路模拟开关CD4051选通后，经测量放大器AD620进行放大后进入PIC16F877A的A/D转换器。图2-5智能保护单元的模拟量信号采集电路CD4051芯片是通过A、B、C的控制来选通8路模拟信号，如图2-5所示CD4051的A、B、C分别与PIC16F877A的RA1、RA2、RA3相连，通过这三个I/0口电平状态的改变来选通这7路信号，这7路信号从I/O0～I/06分别对应A相电流信号、B相电流信号、C相电流信号、电压信号、绝缘检测信号、远控信号和甲烷检测信号。这七路信号均为0～1V的模拟电压信号，经过CD4051选通以后，在送至AD620进行放大处理，AD620的增益由第1和第8引脚间的电阻决定，我们选择电阻为12.35千欧，使其增益为5倍，这样就把0～1V的电压信号放大5倍成为0～5V的电压信号，然后送入单片机的A/D转换器中进行A/D转换。换速度较快，并且转换时间和采样速度可以调节，分辨率也能满足精度的要求。它的精度为5000/2l⁰-1≈5mv,只要有5mv电压它的ADC模块就能识别，转换结果为10位2进制数。PIC16F877A的A/D转换精度为10位，这样就把0～5V的电压信号转换为10位的二进制数值，转换完成后要对数据进行滤波处理，最后存入指定的缓冲区内。联控选择、近起、急停、主回路返回、检漏回路返回和复位等，考虑到输入开关量对系统的干扰，所有的输入开关量均经过光电隔离后与8255相连；开关量输出则经过达林顿管与中间继电器相连，形成跳合闸控制电路，跳合闸电路的任务是驱动真空接触器线圈的整流桥，控制真空接触器线圈的中间继电器，控制整流桥桥臂的中间继电器。近起按钮按下时，将在8255(1)的PB0口产生低电平，如果这个信号被处理器检测且满足合闸条件，真空接触器将会合闸；近停按钮按下时，将在8255(1)的PB1口产生低电平，如果这个信号被处理器检测且满足分闸条件，真空接触器将会分闸；主回路返回信号是由真空接触器的一个常开辅助触点产生的，当接触器处于分闸口为高电平，反之为低电平，从而处理器可以检测到真空接触器的实际状态。真空接触器的线圈是直流驱动的，实验测试表明，真空接触器从分闸状态到合闸状态，需要克服较大的静摩擦阻力，需要约为2A的电流，当处于合闸状态时，只需约0.75A的电流即可维持开关的合闸状态，因此以较大的电流使真空接触器快速可靠地吸合，再以较小的电流使真空接触器可靠维持吸合状态，可减少线圈发热老化，图2-7接触器线圈整流桥电路人机交互电路模块的作用是为了让人能和基于单片机的数据采集系统进行简单的“交流”。对于本文的煤矿井下电气设备智能保护单元而言，就是让人知道智能保护单元某些端口或器件的工作状态，同时还能人为干预系统的工作方式。人机交互电路模块包括4×4键盘电路和OCMJ4×8B_2液晶显示电路2.5.14×4键盘电路的设计本智能保护单元采用矩阵式键盘，它可以进行主机从机选择、额定电流设定、时间设定及故障查询等。将其安装在外壳的控制面板上，直接进行液晶显示部分操作。4×4键盘的按键包括菜单键、返回键、▲键、√键、确定键、清除键以及10个数字键(即数字0～9)。键盘的行线和列线接在8255(1)的C口，这样就可以不占用处理器的引脚资源，也不需要专用的键盘接口芯片，就可以用行列扫描的方式对键盘编码。键盘由8255(1)的C口控制，高四位设定为输入，低四位设定为输出，PC7～PC4定义为行码，PC3～PCO定义为列码，只要键盘有任何一个按键按下，有且只有一条行线和一条列线接通。键盘模块的硬件电路图及外观图分别如图2-8、图2-9所示。图2-84×4键盘模块的硬件电路原理图中2.5.2OCMJ液晶显示电路的设计液晶显示器件与CPU的连接方式有两种，一种是直接访问方式，另一种是间接访问方式。直接访问方式就是将液晶显示器件的接口作为I/0设备直接挂在CPU总线上，CPU以访问I/0设备的方式操作液晶显示模块的工作。间接访问方式是CPU通过扩展的并行接口本文研制的智能保护单元采用8255A芯片间接访问方式，CPU可以通过对8255A的操作以达到对液晶显示模块的控制，这种接法电路简单，控制时序可以通过软件来实现，另外用8255A扩展可以OCMJ4×8B_2显示器的硬件连接电路。由图2-10可知，0CMJ4×8B_2液晶显示电路以0CMJ4×8B_2液晶显示模块为核心，它自带中文字库，可以每行最多可以显示8个汉即调用汉字数据后，如果不再进行数据传送，以前显示的数据可以保持，这将可以省去动态刷新屏幕的工作。8255A选择工作方式0,其B与液晶显示控制器的数据总线相连，0CMJ4×8B_2显示器的BUSY与PIC16F877A的RB1接。由于PIC系列单片机的I/0端口具有方向选择和读写选择控制图2-11绝缘检测等效电路辽宁工程技术大学硕士学位论文18通过转换得到R₄的函数…本设计通信模块选用可远距离传输数据的RS-485,通过RS-485将现场参数送往矿局域网，网内用户可以在任意时刻浏览电气设备的运行情况。通信的基本方式分为并行通信和串行通信。并行通信的优点是传输速度快，缺点是需要同时连接的线数多，尤其是在通信距离较长时传输线的成本会急剧增加。串行通信的缺点是传送速度较慢，突出的优点是仅仅需要数量很少的传输线，特别适合远距离传输。且对单片机而言，串行通信需要占用的引脚资源较少。在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。所以本设计采用了RS-485串行通信方式。RS-485串行通信方式遵循RS-485通信接口标准：a.RS-485的电气特性：逻辑”1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑”0"以两线间的电压差为一(2～6)V表示。接口信号电平比RS-232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；b.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps;c.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；d.RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，在总线上是允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，MAX485传输方式采用差动方式，MAX485的内部结构图和传输原理图如图2-12所示。因为MAX485采用两线制，通过它的信号被传送出去时会先分成正负的两条线路，当到达接受方后，再将信号相减还原成原来的信号。所以它的输入与输出信号所经过的线路相同，这就决定了它的通信方式只能是半双工的。在用MAX485进行通信时，应该仔细考虑如何控制它何时收发，是属于接收还是发送信号，然后只要对MAX485的DE和RE管脚进行控制就行了，PIC16F877A与MAX485的连接原理图如图2-13所示。8255(1)8255(2)上位机接口主8255(1)8255(2)上位机接口主机下位机接口上位机接门下位机接口上位机接口下位机接口2.6.3联控模块的设计护单元设置了联控功能，当系统被设置成联控模式以后，任何一台保护单元都可以在菜单中设置成主机或从机，但是整个系统中只能有一台主机，其它从机在主机的控制下联网运行，并且采用延时使从机按先后顺序起动，延时时间在(0～99s)内随意设置。图2-14为二台保护单元进行联控时的原理图。上位机5V上位机0UT6下位机5V图2-14联控原理图联控方式采用环型接线方式，每个控制单元的联控接口包括上位机接口和下位机接口两部分，下面以三机联控为例说明联控接线方式，如图2-15所示。通过设置后机延时时间，可实现从机顺序起动，联控系统由主机控制起动和停止，但联控系统的每台机仍然可以单独起动和停止。联控系统任何一台机发生故障，系统实现停机，故障机本身显示并记录故障信息，联控系统其他机器只显示故障机的编号，不作记录。联控系统发生故障后，必须先排除故障，并使121图2-15联控接线图本设计用频率来对应各种联控命令，联控系统的信息传送是通过一定频率的脉冲来实现的，每个从机号和控制命令都对应着相应的频率的脉冲，某台机要向下位机发送命令或从机号时只须发送相应频率的脉冲即可。下位机接收后进行解码，就可以识别上位机的命令。光耦电路是接收下位机或上位机脉冲和接收下位机合闸信号的。而应见表2-1。从机号4ms的脉冲数(个)半周期时间频率理论信频率实际值02412638236489起动信号352.6.4故障存储模块的设计接口。铁电存储器具有持久保存数据的能力和存储快速性的优点，存源波动还来不及干扰就已经存储完毕了。因此利用铁存储器的上述优点，在设计中对发生的各种电压、电流以及漏电故障进行高效、快速、准确的存储，通过软件设计的查询算法用户可以方便的对历史故障信息进行查询，对设备的维护提供了可靠的依据。实时时钟模块电路以HT1380时钟芯片为核心，包括晶振电路，带掉电保护的电源电路和串行数据通信电路，如图2-16所示。实时时钟采用HT1380芯片，它是HOLTEK公司推出的一款带秒、分、时、日、星期、月、年的串行时钟保持芯片，每个月多少天以及闰年能自动调节，HT1380具有低功耗工作方式并用若干寄存器存储对应信息，一个32.768KHz的晶振校准时钟，为了使用最少引脚，HT1380使用一个1/0口与微信息处理机相连，仅使用三根引线(1)RST复位；(2)SCLK串行时钟；(3)I/0口数据就可以传送1字节或8字节的字符组。因而，HT1380是一种性价比极高的时钟芯片，它可以为系统提供准确的时间信息。HT1380的掉电保护电路包括D1,D2,D3三个二极管，稳压电容，以及供电电池。正常电网上电时，开关电源+5V经过D1后加到HT1380的VCC,此时VCC>4.3V,D2,D3关断，即电池不供电；当电反向截止，电池只对HT1380供电，延长电池使用时间。2.6.6电源模块的设计智能保护单元的电源电路包括电网供电电路和电池供电电路。这两种供电方式可以由拨档开关进行切换。当电网上电运行时，应采用电网供电方式，此时控制单元由中继开关电源供电；当系统停止运行，要求对系统参数进行整定的时候，按照煤矿安全操作规程，在井下不允许带电打开隔爆外壳，这就要把供电方式切换成电池供电，此时控制单元由外置的蓄电池供电。为防止蓄电池电极短路，蓄电防止蓄电池电极短路产生事故。统识别当前为电池供电方式，从而关闭不必要的服务程序，如禁止合分闸操作等，只允许键盘和显示操作，从而确保完成参数整定。本章根据智能保护单元各保护功能的要求，设计了煤矿井下电气设备的智能保护单元的硬件电路，分别设计了保护单元微处理器的最小工作系统、模拟量信号采集电路、开关量的输入输出电路、人机交互电路模块以及漏电闭锁等功能电路模块，详细阐述了硬件电路的工作原理，并且对所设计的硬件电路进行了实验室模拟实验，均能达到设计指标要求，能够对系统进行可靠的控制与保护。3智能保护单元的软件设计软件系统是监控系统的指挥中心，性能优良的软件是保证智能保护单元高效、可靠、安全工作的技术保障，智能保护单元的软件设计也是本论文的核心部分之一。本设计采用PIC单片机的汇编语言进行编写，它具有精简的指令集(35条指令)、寻址方式简单、运行速度快等优点，这些给软件设计带来了极大的便利。此外，采用汇编语言进行编程可以充分利用其高效、高速和结构简单等优点可以进行实时可靠的控制。本设计程序的编写调试均在Microchip公司推出的MplabIDE现程序的调试在线调试和程序的单独烧写。作为在线调试器，它可以在线观测并修改文件寄存器的内容，可以在计算机上直观的观测到文件寄存器内容的变更，可以设置一个断点，断点的功能是可以让程序执行到断点处便停止，这为程序的调试带来极大的方便，利用这一点加上我们软件模块化的设计思想可以在调试时很轻松的找到程序出错的地方；它支持软件的单步运行和块单步运行。单步运可以实现多种调试目的，例如，可以使用该功能来观察程序分支的在使用这个功能时系统将跳过子程序的调用过程，直接执行到调用直接看到调用的结果了。假如语句的调用是没有必要进行分析的延时子程序，那么使用此功能就可以避免陷入单步执行烦琐的循环过隔1.667ms进行一次中断，中断由统一的中断调度程序进行统一的调度，采用软件工程中的业务流结构发生一次中断后由调度程序决定执行哪一组任务，每两个采样点之间安排一系列的任务，并且每组任务在1.667ms内都能执行一遍，但是由于本软件系统配备有人机交互界面，键盘显示程序是所有任务中最为耗时的程序，它的执A、C、F、I、J、L:数据采集B:读键码D:读当前时间E:分合闸操作G、H:漏电检测准备K:故障检测M:A相电流滤波N、P、S:远控检测0:B、C相电流滤波Q:电流保护准备R:电流保护检测主回路电流状态T:漏电检测U:电压保护V:联控W:关中断X:漏电显示Y:键盘显示图3—1任务分配T任任务任务n任务9任务8任务任务任务任务2任务结束秒级，经实验和现场的使用情况来看是不影响系统的实时性能的，因此这种方法是切实可行的。每一组任务都是一个功能模块，本系统包括电流保护模块、电压保护模块、绝缘电阻保护模块、数据采集模块、远控模块、通讯模块、联控模块、时钟模块、故障存储及查询模块和键盘显示模块等，以上各个功能模块在主程序的统一调度下完成各自的功能，主程序流程图和中断服务程序流程图如图3-2和3-3所示，各个功能模块的实现方法将在后续章节中进行详细的介绍。3.2系统各功能模块的软件设计3.2.1模拟信号采集模块模拟信号有A相电流信号、B相电流信号、C相电流信号、电压信号、绝缘检测信号、远控信号和甲烷信号，这些信号经模拟多路的A、B、C分别与PIC16F877A的RA1、RA2、RA3相连，通过这三个82号、绝缘检测信号、远控信号和甲烷检测信号。I/07脚暂时没有应用，待以后进行功能扩展时使用。这七路信号均为0～1V的模拟电，我们选择电阻为12.35千欧，使其增益为5倍，这样就把0～1V的电压信号放大5倍成为0~5V的电压信号并送入单片机的A/D转换器中进行A/D转换，877A屏蔽W高五位N通6通道8通道通道通道1通道a通道图3—5模拟通道选择子程序流程图范围而引起程序在查表时跳转不正常，这样的做法使程序的可靠性的到了提高。这种程序查表的程序结构是一个非常典型程序结构，在软件工程中被称作是业务流的程序结构，程序采用的寻址方式是程序空间的间接跳转的寻址方式，即直接改变程序计数器PC的值来实现程序空间的跳转，间接跳转通过PIC单片机的指令运算来改变PC的当前值，以实现程序空间的间接跳转[10]。产生查表地址很多系统的设计中都要求提供模拟信号的输入和检测功能，这把输入的连续变化的模拟电压信号转换PIC16F877A单片机内部就集成了ADC模块，最多有8个A/D转换通道，精度为5000z0-1~5mv,,只要有5mo电压它的ADC模块就能识别，输入/输出方向控制寄存器TRISX寄存器的正确设定，另外，如果需在本设计中三相电流、电压以及绝缘电阻采样完毕以后存入指定的缓冲区内，为了保证采样结果的真实性和准确性，在一个采样周NYNYNY期内采样多组数据，然后必须要对这几组数据进行软件滤波处理。根据本控制装置的工作环境来看，工作在煤矿井下，由于井下大型设备种类繁多，各种脉冲干扰也很多，因此在本设计中采用能够抑制脉冲干扰的滤波算法即防止脉冲干扰的平均滤波法。首先要将采样的数据存储在相应的缓冲区内，具体的分配如图3-7所示，采样进来的十位数据分别存入两个字节的单元内，这里的式(3-1)中Tazm为将要设计的溢出周期为1.667ms,F为系7,PR2为周期寄存器的初值为所求，由上式计算出PR2为237。这样就得到了每隔1.667ms的采样周期时序。3.2.2开关量输入输出处理模块开关量是指只有两种状态的变量，断路器的开合状态就是一种开关量，还有一些开关信号比如启动信号、停止信号等，这些开关状态必须要经过一系列的转换电路将它们转换成数字量信号才能被处理器所识别，我们知道处理器里面的信号都是以数字量的形式出现的，将开关量转换成数字量就非常方便的由处理器对这些开关量信号进行判断处理。在智能控制单元的设计中，使用一些选择信号、开关信号以及一些返回信号作为开关量输入部分，用来产生一些能够被软件所能查询到的信号。开关量输入部分的开关量信号经过光电耦合器分别进入8255A的A口和B口，具体的信号有：a.开关量输入◆PA0)近控：单刀双掷开关相连(通);远控：单刀双掷开◆PA2单机选择：单刀双掷开关相连(不通);联控选择：PA3电池供电。(2)第一片8255A的B口。近起：采用主令开关。急停：采用主令开关。合闸还是断开。回一个开关量。检漏回路返回：漏电检测继电器在发生漏电试返从机状态返回。试验返回。b.开关量输出：电流保护是智能保护单元的主要保护功能之一，它主要完成的是电流值的检测，并根据电流值的大小判断是否发生了短路、过载和缺相等电流故障，并完成相应的保护和显示功能[1]。电流保护的具体步骤是：短路和过载保护的动作是根据电流的最大值来判断的，也就是说当三相电流的最大值发生了短路或过载故障时保护器就要进行动作。缺相保护是在电流信号中的最大和最小两相相差0.58倍时视为缺相故障，因此在程序的判断过程中都是针对最大值和最小值来进行比较判断的。首先就要将采样进来的三相电流信号进行比较之后存入指定的寄存器中，比较程序采用两两比较的方法，其程序流程对采样进来的三相电流信号进行比较处理后要将它转换成浮点数，Ie在计算过程中是采用浮点数来进行计算，在本设计中的浮点数是采用三字节形式。转换成浮点数后就要将它乘以转换系数变成回路电流以待处理，采样进来的信号为10位二进制的定点数表示NYYNYNN电流变送器最大转换电流对应的一次电流/1024,那么10A对应的一次电流为4000A,那么转换系数就为,转换成浮点数相的电流以浮点数的形式乘以转换系数7AHOOH80H就变成主回路这一相的实际电流大小的浮点数形式。转换完毕后存入指定的缓冲区中准备实时显示以及和保护系数进行比较处系统的额定电流Ie是可以在菜单中进行设置的，对不同的额定电流下的保护动作值是不一样的，因此对1.2Ie、1.5Ie、6Ie、8Ie保护参数的计算将是初始化阶段的主要任务之一。间时，即表示发生了某一种故障，发生故障后会置此故障标志，当3.2.4电压保护模块电压保护也是智能保护单元的主要保护功能之一，它主要完成的是电压值的检测，并根据电压值的大小判断是否发生了过压、欠压故障，并完成相应的保护和显示功能。NNNYYN允许电流保护YNN平NNBN班时2分到NYNY志回a.采样电压处理由于电动机过压、欠压时三相是同时变化的，因此电压只检测一相。首先将采样进来的十位定点数转换成浮点数，然后在乘以转换系数变成实际的主回路电压进行处理。电压转换系数跟电流转换压分别为40×47.5=1900V和40×27.5=1100V,对应的转换系数为b.保护参数初始化系统的额定电压Ue是通过改变变压器一次侧抽头来实现的，无论电压等级是1140V还是660V变压器的二次侧抽头的电压都是不变的24V。但是对不同的额定电压下的保护动作值是不一样的，因此电压保护的动作值0.75Ue和1.15Ue须在初始化阶段计算完毕。NYYNNYNYYNYNNYNY返可由于保护器的工作电压有1140V和660V两种，因此保护程序也要分成两部分处理，1140V电压保护的流程图如图3-10所示660V的保护程序大体上跟1140V的保护程序类似只是动作系数不同而已，因此不在详细介绍。保护程序都是电压信号采样近来以后经过滤波处理存入相应的缓冲区以后开始执行的。主要采用浮点数比较的算法进行电压故障的判断，故障系数都是事先计算好以后存放在变量定义中的，用到时直接以立即数的形式直接使用，这种定义的方法可以使软件灵活可靠，只要在变量定义改变相应的位就可以实现动作倍数的改变，而没有必要在程序段中去逐个修改。3.2.5漏电闭锁保护模块绝缘检测模块主要完成的就是在真空接触器吸合之前或断开之后对电机绕组部分电缆进行绝缘检测，如果检测到绝缘电阻值低于动作值，那么漏电闭锁保护动作，禁止启动并发出报警信号，液晶显示屏给予显示漏电故障以及漏电故障值，当主回路的绝缘电阻恢自动恢复漏电闭锁保护此时允许真空接触器合闸。当处于主回路刚刚断开后的状态时，漏电闭锁保护要在10秒以后投入。当启动前没有漏电故障时，系统正常启动并且真空接触器吸合以后漏电闭锁保护就不投入了。此时的漏电保护功能应该由上一级的馈电开关来完成。漏电闭锁保护功能是由软件查表的形式来实现的，采用附加直电机的三相绕阻与大地之间形成回路，如果线路对地的绝缘电阻发生了变化那么采样点电压就产生相应的变化，通过这种方法就能实时检测电机部分对地的绝缘电阻，在检测线路上串联一个真空接触器的常闭触电，在真空接触器的线圈上串联一个检漏输出的常闭触电，这样就实现了闭锁功能[22]。检漏的等效原理图如图3-12所示，辽宁工程技术大学硕士学位论文40通过转换得到Rx的函数图3-12绝缘检测等效电路U12333.2.6.1故障存储年信息月信息日信息时信息分信息故障类型信息1使用I²C总线协议的芯片独有的ID,后面的0000为用户通过接线规定的引脚设定地址，它是用来区别在一条I²C总线上出现很多具芯片故将它设置成“0000”,“A”为应答信号，是由被控器给主控的256个单元，这样FM24C64芯片8K的存储空间都能够对它进行写操作。NY建立停止信号时序返回故障存储时由于外部信号的干扰很有可能使存储的信息发生与实际期望的不符的情况，为了避免这种情况的发生在软件设计中采每一次存储完一条故障信息以后，立即调用读存储器子程序把存入的数据求和，然后与读出的数据的和进行比较，如果一致就认为已经存储正确如果不一致就让程序重新存储一遍直到存储正确为止。故障存储是为故障查询服务的，他为技术人员提供了一个很好的平台来了解历史故障信息，为设备维护提供良好的依据。用户只需用键盘输入查询的日期，系统就会模糊匹配到与查询日期最近的所示，从当前存储位置开始向前顺序查询，模糊匹配取得最佳的匹配数据，若年月日均匹配为最佳的匹配数据，若日不匹配则选年和月都匹配的，若日和月都不匹配则选年匹配的，若年、月和日都不匹配则显示最近的一次故障记录。NYY车已有匹配标志=NNNNY过程结束),如果不匹配指针向前直到匹配为止。得到故障信息的位障时间。认”四个按键。“向上”、“向下”按键可以上下查询相邻的故障记录，“返回”键按下可以回到查询屏幕，“确认”键按下可以返回运行屏。实时时钟是智能电器的必要组成部分，在智能控制单元中有着十分重要的作用，时钟模块可以为系统提供准确的时钟基准，用户可以通过键盘进行时间设定，复位从新运行后就可以在运行屏上观看时间显示。另外，时钟还可以为故障查询提供准确的时间，它作为故障查询的入口参数，输入年月日就可以查询相应的故障信息。时钟采用HT1380芯片，HT1380的内部寄存器有八个分别为秒、分、时、日期、月、日、年和写保护寄存器，对它们操作的命令字节从80H～8FH分别为读和写命令字节，用另外在内存中开辟了一个缓冲区用来存放秒、分、时、日期、月、日、年和写保护寄存器的内容。后时钟就可以正常运行了。毕以后将时钟信号拉高，在时钟的上升沿期间进行这一位的数据的传输，然后在把时钟线拉低准备发送或接收下一位数据。键盘显示模块是人机对话的重要途径，在设计中为了节省处理器的程序存储器的空间，免去大规模字库编写的所要占用的程序空液晶显示模块，键盘采用贴片式4×4键盘，操作方便可靠。在这个智能保护单元中，我们采用了矩阵式键盘，按键包括菜单键、返回键、上、下键、确定键以及十个数字键。图3-19键盘结构在设计中键盘采用列扫描读行码的方法，如图3-19所示键盘由8255A的PC口控制，高四位设定为输入低四位设定为输出，PC7~定义为列码，读键码时首先看是否有键按下，通过低四位也就是列码输入1111看行码是否为0000,如果此时的编码为“列OCMJ4*8B_2的接口协议采用请求/应答握手方式。应答BUSY高0CMJ空闲，等待用户命令。发送命令可在BUSY=0后的任意时刻开始，先把用户命令的当前字节放在数据线上，接着发高电平REQ信号通知0CMJ请求处理当前数据线上的命令或数据。0CMJ在收到外部REQ信号后开始处理发送过来的数据，对模块的写程序如下所示：NOP_55_1Cs_55_2Cs本章详细介绍了系统软件设计方法、应用软件开发环境以及系统的软件结构，并对各功能模块分别予以详细说明。该应用程序的监控程序根据智能保护单元的保护、控制要求，采用作业顺序调度的设计原则进行编程，通过调用模块化子程序，来完成煤矿井下电气设备的各种保护及控制功能。采用三字节浮点数来进行数据处理，提高了运算精度。软件设计采用模块化结构程序设计方法，不但便于编写、查错、测试和修改，而且能提高编程效率和运行的可靠性。4智能保护单元的抗干扰设计可靠性是用电设备的基本要求之一，也是所有控制单元最基本所以会存在这两个方面的隐患是因为电磁干扰的存在。因此为了保障控制单元可靠的工作，除了采用合适的保护原理外，本章主要考虑抗干扰设计。系统干扰的主要来源有以下几点：a.供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径；b.系统接地不良也是引入干扰的主要原因；c.电流、电压互感器、输入输出线路的绝缘不良等，均有可能引入干扰；d.在进行系统操作，或是操作隔离开关等时，系统的主接线形式及参数将发生变化，在系统中形成电磁暂态过程，造成高频电磁场干扰；e.以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频电磁场的附近，它们通过静电感应、电磁感应等方式耦合在单片机控制系统中式耦合在单片机控制系统中。形成电磁干扰的原因有诸多方面，同一电力系统中的各种电力设备通过电和磁紧密的联系起来，相互影响，由于运行方式的改变、故障、开关设备的操作等引起的电磁振荡会对智能控制单元产生影响；另外，智能保护单元工作在环境恶劣的煤矿井下，空气非常潮湿，到处充满着煤尘，电磁干扰尤为严重。保护单元在工作时不仅源，比如负载上电流的频繁变化和通过导线空间进入单片机系统内部，造成程序跑飞，使系统工作不正常，甚至损坏系统。所以对智能保护单元各个部分的抗干扰性能提出了较高的要求，尤其是单片机系统的抗干扰问题。因此，在整个智能保护单元的研发过程中，始终将抗干扰性能作为系统设计时首先考虑的问题之一。硬件抗干扰具有效率高、实时性强等优点，本智能保护单元主要从以下几方面采取抗干扰措施：4.2.1印刷电路板的抗干扰设计a.模拟地和数字地分开。这样可以减少模拟电路和数字电路间的干扰。b.加粗接地线。这样可以减少内阻，平稳单片机的电平信号，提高抗噪声的性能。所以在设计的时候，应尽量加粗接地线。在本课题中选用的地线宽度最细为40mil。c.接地构成闭环路。缩小地线产生电位差，提高抗噪声能力。电源线的布线除了要根据电流的大小，加粗导体宽度外(该系统中的最细的电源线宽度为40mi1),尽量使电源线、地线的走向与数据线方向一致，将有助于增强数据采集系统的抗干扰能力。a.电源的输入端跨接100μF电解电容。b.在每个集成电路芯片的电源输入端与接地端间都安置一个0.1μF的陶瓷电容。印刷电路板大小要适中，过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也会随之提高：过小，则散热不好。同时易受邻线条的干扰。在布置器件的时候，应把相互有关的器件尽量放的靠近些，能获得较好的抗噪声效果，晶振及时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路，尽量另做电路板。另外在电路放置的时候，将发热量大的器件放在上方。4.2.2信号输入通道的抗干扰设计输入部分进入主机。光电耦合器的原边是一个发光二极管，副边是一个光敏三级管，以光作为媒介传输信号，原边和副边之间完全没有电的联系。光电耦合器的主要优点是抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，共模抑制比，抗干扰能力强，不受磁场影响，不需要屏蔽。4.3智能保护单元的软件抗干扰设计上一节主要介绍了硬件抗干扰设计，但是软件抗干扰设计也尤为重要，因为无论在硬件上做出多少防范措施都不能保证CPU内部不受到任何干扰，尤其是在以微处理器为核心的设备中，由于外部行的错误或者数据监测结果不准确。如果更为严重一点程序计数器受到干扰，造成数据码被当作指令码，相反其结果会破坏RAM存储器中的数据，另一方面会产生程序跑飞或进入死循环的现象。本节主要介绍智能控制单元软件抗干扰的措施：a.增加看门狗监视程序为了防止程序运行出错导致CPU进入死循环或飞掉，充分发挥处理器集成看门狗模块的功能，在程序烧写之前在开发环境中开放看门狗功能，如图4—1所示，在MPLABIDEv7.10中将Configure项中的WatchdogTimer项设置成on状态，然后在烧写程序就启动了看门狗程序，在程序由于外届干扰而进入死循环后看门狗程序就会在18ms后使程序自动复位从头开始执行以跳出死循环。中断服务程序开始-----Cπb.软件陷阱程序跑飞后有可能落在程序存储器中的任何位置，可以采用软件陷阱的方法把程序空间中的空白空间填充如下指令：当程序跑飞跳到这条指令时便使程序陷入死循环，然后等待看门狗计数周期的到来，使程序自动复位。使用PIC单片机的fill伪指令可以进行软件陷阱的设置，它可以实现对程序空间连续自动的填充某一特定的指令数据，例：就实现了从当前地址到标号NEXT