1.引言

目前煤礦井下采區(qū)變電所、綜采工作面在使用的高壓防爆配電裝置都已經(jīng)使用較為智能化的PB系列、BGP系列等。然而這些智能設(shè)備已逐漸不能滿足高強(qiáng)度、高運(yùn)作效率的井下生產(chǎn)需求，如高壓防爆配電裝置的保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為過(guò)流、高壓漏電絕緣監(jiān)視脫扣器和失壓脫扣器，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中由于機(jī)械彈簧易老化疲勞、保護(hù)整定不準(zhǔn)確及經(jīng)常誤動(dòng)作等，使之操作不便，使用維護(hù)困難。日益推廣的高壓防爆真空配電裝置雖然采用高壓真空斷路器、綜合保護(hù)器以及電能計(jì)量裝置等，具有漏電監(jiān)視、過(guò)流、失壓及過(guò)壓等保護(hù)功能，但對(duì)于一些突發(fā)事故尚不能進(jìn)行監(jiān)測(cè)及處理，往往正是這些事故導(dǎo)致了大的井下事故的發(fā)生，從而引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。

文中針對(duì)構(gòu)建井下電力系統(tǒng)智能控制單元的工業(yè)需求，結(jié)合電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，分析并設(shè)計(jì)了一類集測(cè)量、顯示、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制、診斷及實(shí)時(shí)通信的新型井下電力系統(tǒng)智能控制單元。

2.井下電力系統(tǒng)智能控制的需求分析

生產(chǎn)實(shí)踐表明，已有的井下電力系統(tǒng)電力電氣設(shè)備的使用仍然存在著很多的安全隱患，其中最為嚴(yán)重的是電力電氣設(shè)備的保護(hù)功能不能充分發(fā)揮作用，其原因主要有以下幾個(gè)方面：

(1)煤礦井下環(huán)境特殊，電力電氣設(shè)備受危害的因素多，電力電氣設(shè)備故障多。

(2)井下使用的各種開(kāi)關(guān)的控制電路和保護(hù)電路廣泛采用電子電路，造成電力電氣設(shè)備故障處理、檢修和維護(hù)的難度增加，使故障不能及時(shí)得到檢修處理，造成電力電氣設(shè)備在保護(hù)不完善或沒(méi)有保護(hù)的狀態(tài)下運(yùn)行。

(3)電力電氣設(shè)備內(nèi)部電子元器件增多也使設(shè)備自身出現(xiàn)故障的機(jī)率增多。

(4)電力電氣設(shè)備使用者不按生產(chǎn)廠家的要求操作，把電力電氣設(shè)備的保護(hù)裝置甩掉不用，使設(shè)備在缺少保護(hù)的情況下運(yùn)行，如將饋電開(kāi)關(guān)中的故障跳閘線圈封死，不讓其跳閘。

(5)井下電力電氣設(shè)備配件通用性不高。我國(guó)井下專用配電開(kāi)關(guān)和控制開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家很多，而各廠家都有自己與眾不同的設(shè)計(jì)方案，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)和電路原理有較大差異，這樣就會(huì)造成企業(yè)配件儲(chǔ)備困難、設(shè)備因缺少配件而得不到修復(fù)的現(xiàn)象。

因此，開(kāi)發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護(hù)種類齊全、動(dòng)作速度快、靈敏度高、可靠性好、方便實(shí)用的煤礦井下電力電氣設(shè)備智能控制單元是解決國(guó)內(nèi)煤礦井下電力電氣設(shè)備保護(hù)問(wèn)題的關(guān)鍵。

3.智能控制單元的硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦井下電氣設(shè)備智能控制單元的工作原理是：首先將檢測(cè)的電信號(hào)分別經(jīng)電壓變送器和電流變送器，變成0～1v的電壓信號(hào)，再經(jīng)測(cè)量放大器放大成0。5V的電壓信號(hào)，送至CPU，由CPU內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器將其變成數(shù)字信號(hào)后，CPU隨即進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，計(jì)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線緩沖驅(qū)動(dòng)器顯示在液晶屏上，CPU在對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷后，通過(guò)總線緩沖驅(qū)動(dòng)器對(duì)繼電器直接操作或者發(fā)出閉鎖信號(hào)。CPU定期對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入狀態(tài)、開(kāi)關(guān)量工作狀態(tài)及鍵盤、保護(hù)接口進(jìn)行掃描和檢測(cè)，完成對(duì)保護(hù)對(duì)象的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通過(guò)串口電路向調(diào)度中心發(fā)送數(shù)據(jù)或接收指令，復(fù)位電路能使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。由于單片機(jī)具有性能高、速度快、價(jià)格低、體積小、穩(wěn)定可靠、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而常常被用在智能監(jiān)控裝置(儀器)控制中。由于智能控制單元必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)判斷出故障點(diǎn)并能及時(shí)切斷故障電流，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，控翎單元必須有能力及時(shí)處理大量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此智能控制單元對(duì)硬件CPU的實(shí)時(shí)性、快速性、準(zhǔn)確性和多功能性要求很高，為此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選用了實(shí)時(shí)性和快速性都非常好的PIC1 6F877A單片機(jī)作為中央處理器?；趩纹瑱C(jī)PICl6F877A的智能控制單元的硬件總體結(jié)構(gòu)它主要由以下部分組成：

(1)由CPU、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成CPU最小工作系統(tǒng)。

(2)由電流互感器、電壓互感器、電流變送器、電壓變送器、模擬開(kāi)關(guān)、放大器以及CPU的A/D轉(zhuǎn)換模塊組成數(shù)據(jù)采集模塊。

(3)12路開(kāi)關(guān)量輸入和3路開(kāi)關(guān)量輸出組成I/O功能模塊。

(4)由4×4鍵盤和液晶顯示組成的人機(jī)對(duì)謠陵塊。

(5)由漏電閉鎖模塊、通信模塊、聯(lián)控模塊、故障存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊以及電源模塊構(gòu)成智能控制單元的功能電路模塊。

4.智能控制單元的軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)是對(duì)斷路器的開(kāi)合進(jìn)行控制并要求對(duì)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣計(jì)量，因此必須對(duì)每周波20ms的正弦電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)選為12個(gè)點(diǎn)，那么每2個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為1.667ms，利用PICl6F877A的定時(shí)器TMR2來(lái)進(jìn)行采樣周期定時(shí)，每隔1.667ms進(jìn)行一次中斷，中斷由統(tǒng)一的中斷調(diào)度程序進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度，采用軟件工程中的業(yè)務(wù)流結(jié)構(gòu)發(fā)生一次中斷后由調(diào)度程序決定執(zhí)行哪一組任務(wù)，每2個(gè)采樣點(diǎn)之間安排一系列的任務(wù)，并且每組任務(wù)在1.667ms內(nèi)都能執(zhí)行一遍，但是由于本軟件系統(tǒng)配備有人機(jī)交互界面，鍵盤顯示程序是所有任務(wù)中最為耗時(shí)的程序，它的執(zhí)行必然超過(guò)1.667ms，因此在不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能的前提下采用關(guān)中斷的結(jié)構(gòu)，在鍵盤顯示執(zhí)行完畢以后開(kāi)中斷來(lái)執(zhí)行下一組任務(wù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這樣的做法是切實(shí)可行的。12個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)有12組任務(wù)，在采樣點(diǎn)內(nèi)的任務(wù)在文中稱內(nèi)部任務(wù)。

每2個(gè)采樣點(diǎn)之間都分配有若干個(gè)任務(wù)，由于任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間也長(zhǎng)短不一，這樣就必然會(huì)在某2個(gè)采樣點(diǎn)之間存在空閑的時(shí)間未被分配，這一部分的時(shí)間可以留作日后軟件升級(jí)時(shí)使用，這樣使軟件系統(tǒng)還有很大的升級(jí)空間。第一組任務(wù)至第十一組任務(wù)的執(zhí)行都嚴(yán)格的控制在1.667m以內(nèi)執(zhí)行完畢，第十二組任務(wù)比較特殊，如前所述鍵盤顯示程序耗時(shí)很長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得顯示一個(gè)漢字占用1.341ms，顯示一個(gè)ASCII碼要占用2.55ms。因此在1.667ms這樣的時(shí)間內(nèi)顯示大量的漢字以及ASCII碼是不可能的，如果不關(guān)中斷會(huì)導(dǎo)致顯示不正常，因此在不影響實(shí)際需要的實(shí)時(shí)性能的前提下，采用關(guān)中斷的方法禁止定時(shí)器2的中斷，待顯示完畢后開(kāi)放中斷，然后繼續(xù)執(zhí)行第一組任務(wù)，雖然關(guān)中斷的方法會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，但是由于這一點(diǎn)的時(shí)間損失都在毫秒級(jí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的使用情況來(lái)看是不影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能的，因此這種方法是切實(shí)可行的。

每一組任務(wù)都是一個(gè)功能模塊，該系統(tǒng)包括電流保護(hù)模塊、電壓保護(hù)模塊、絕緣電阻保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)控模塊、通訊模塊、聯(lián)控模塊、時(shí)鐘模塊、故障存儲(chǔ)及查詢模塊和鍵盤顯示模塊等，以上各個(gè)功能模塊在主程序的統(tǒng)一調(diào)度下完成各自的功能。

5.故障存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)

故障存儲(chǔ)模塊采用鐵電存儲(chǔ)器FM24C64芯片，它是一種非易失性記憶體，它的邏輯結(jié)構(gòu)為8192×8位，接口方式為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)12C接口。鐵電存儲(chǔ)器具有持久保存數(shù)據(jù)的能力和存儲(chǔ)快速性的優(yōu)點(diǎn)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以保存在10a以上，普通的EEPROM的存儲(chǔ)速度在毫秒級(jí)而鐵電存儲(chǔ)器FRAM存儲(chǔ)速度在微秒級(jí)，噪聲和電源波動(dòng)環(huán)境寫數(shù)據(jù)對(duì)EEPROM來(lái)說(shuō)極具挑戰(zhàn)性，而FRAM寫的速度非?？?，噪聲和電源波動(dòng)還來(lái)不及干擾就已經(jīng)存儲(chǔ)完畢了。因此利用鐵存儲(chǔ)器的上述優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中對(duì)發(fā)生的各種電壓、電流以及漏電故障進(jìn)行高效、快速、準(zhǔn)確的存儲(chǔ)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的查詢算法用戶可以方便的對(duì)歷史故障信息進(jìn)行查詢，對(duì)設(shè)備的維護(hù)提供了可靠的依據(jù)。

多字節(jié)數(shù)據(jù)寫入的信號(hào)s代表啟動(dòng)信號(hào)，之后的“1010”為FM24C64的器件地址，使用12C總線協(xié)議的芯片獨(dú)有的ID，后面的0000為用戶通過(guò)接線規(guī)定的引腳設(shè)定地址，它是用來(lái)區(qū)別在一條12C總線上出現(xiàn)很多具有同一個(gè)ID的器件，在智能控制單元中僅使用一個(gè)FM24C64芯片故將它設(shè)置成“0000”，“A”為應(yīng)答信號(hào)，是由被控器給主控器的信號(hào)，后面用5位表示32個(gè)頁(yè)地址，用8位來(lái)表示每一頁(yè)上的256個(gè)單元，這樣FM24C64芯片8K的存儲(chǔ)空間都能夠?qū)λM(jìn)行寫操作。

故障存儲(chǔ)時(shí)由于外部信號(hào)的干擾很有可能使存儲(chǔ)的信息發(fā)生與實(shí)際期望的不符的情況，為了避免這種情況的發(fā)生在軟件設(shè)計(jì)中采用了“和校驗(yàn)”的方法使存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)安全可靠，這種校驗(yàn)的思想使每一次存儲(chǔ)完一條故障信息以后，立即調(diào)用讀存儲(chǔ)器子程序把存人的數(shù)據(jù)求和，然后與讀出的數(shù)據(jù)的和進(jìn)行比較，如果一致就認(rèn)為已經(jīng)存儲(chǔ)正確如果不一致就讓程序重新存儲(chǔ)一遍直到存儲(chǔ)正確為止。

6.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)井下電力系統(tǒng)智能控制單元的分析及設(shè)計(jì)得到以下主要結(jié)論：

(1)對(duì)當(dāng)前井下電力系統(tǒng)智能控制過(guò)程及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析并論證了其智能控制單元的工業(yè)需求必要性。

(2)分析并設(shè)計(jì)了一類集測(cè)量、顯示、保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制、診斷及實(shí)時(shí)通信的新型井下電力系統(tǒng)智能控制單元。設(shè)計(jì)的智能控制單元具有短路、過(guò)載、漏電閉鎖、斷相、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)措施。

(3)以故障存儲(chǔ)和處理為例給出了智能控制單元的具體功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

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