李桐喆

【摘要】 礦用高壓電纜接線盒是煤礦井下主要的設(shè)備，其可靠性直接關(guān)系到井下安全生產(chǎn)工作能否順利開展。本文在分析礦用高壓電纜接線盒組成及其對(duì)安全生產(chǎn)工作影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）設(shè)計(jì)礦用高壓電纜接線盒溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由DSP最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)單元、超溫報(bào)警單元、通信單元和顯示單元組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接線盒的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 高壓電纜 接線盒 溫度監(jiān)測(cè)

煤炭是我國能源生產(chǎn)和消耗的主體，在一次能源和二次能源中占有重要的地位，在未來的一段時(shí)間內(nèi)煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不能動(dòng)搖。隨著煤礦開采強(qiáng)度的增加和深度的增加，煤礦電網(wǎng)的的規(guī)模和容量急劇增加，礦用高壓電纜接線接線盒的數(shù)量越來越多。礦用高壓電纜經(jīng)常發(fā)生故障，嚴(yán)重影響了煤礦井下的安全生產(chǎn)工作的順利開展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，井下電纜事故70%是由于電纜接線盒內(nèi)連接引起的。目前，我國煤礦井下高壓電纜接線盒維護(hù)普遍采用工作人員定期巡查，人為檢驗(yàn)接線盒的狀態(tài)好壞，這種方法浪費(fèi)了大量勞動(dòng)力，檢驗(yàn)過程復(fù)雜、可靠性低，嚴(yán)重制約著煤礦井下安全生產(chǎn)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

一、礦用高壓電纜接線盒

礦用高壓電纜接線盒是煤礦井下應(yīng)用較多的設(shè)備其主要由防爆外殼、接線端子和基座組成，防爆外殼為鋼板結(jié)構(gòu)，上蓋采用螺栓壓緊結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為電源線進(jìn)出線端口，接線端子位于殼體內(nèi)的基座上，連接時(shí)采用壓板將電纜接頭壓接，接線端子固定在機(jī)座上，基座為高壓瓷瓶結(jié)構(gòu)，基座上設(shè)有輔助接線端子。礦用高壓電纜接線盒適用于爆炸性氣體（甲烷）和煤塵混合物的礦井中，用于連接交流50Hz，電壓3.3kV、6kV和10kV電網(wǎng)中的電纜。礦用高壓電纜接線盒用于周圍空氣溫度-20℃—+40℃、空氣相對(duì)濕度不大于95%（+25℃）、無強(qiáng)烈顛簸和沖擊震動(dòng)、無滴水和雨雪侵入的工作場(chǎng)合。

二、礦用高壓電纜接線盒溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大部分為樹形或者魚刺形結(jié)構(gòu)，井下電網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，高壓電纜接線盒具有分布面廣、相距較遠(yuǎn)、集中性差等特點(diǎn)。結(jié)合以上特點(diǎn)，以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心設(shè)計(jì)礦用高壓電纜接線盒溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由DSP最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)單元、超溫報(bào)警單元、顯示單元和通信單元組成，其中DSP最小系統(tǒng)采集溫度監(jiān)測(cè)單元反饋的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算、處理；溫度檢測(cè)單元用于接線盒內(nèi)部溫度測(cè)量，超溫報(bào)警單元以聲音和光的方式提示超溫故障，顯示單元用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和接線盒內(nèi)部溫度情況，通信單元用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊，下邊對(duì)DSP最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)單元和超溫報(bào)警單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320F2812最高數(shù)據(jù)處理頻率可達(dá)到150MHz，具有12位16通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，單路轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá)60ns，具有浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)計(jì)算函數(shù)庫，能夠在定點(diǎn)處理器上實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)計(jì)算，同時(shí)在處理器中集成了具有串行通信和eCAN通訊標(biāo)準(zhǔn)通信接口，方便了與上位機(jī)和一些測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送，在伺服電機(jī)控制、電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、汽車通訊和航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

2.1.1 電源電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812工作需要內(nèi)核1.8V和I/O端口3.3V兩種供電電壓，選用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS-1117為DSP內(nèi)、外核供電。AMS-1117具有可調(diào)輸出和固定輸出兩種模式，固定輸出電壓檔分為1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V等，輸出精度可達(dá)1%，系統(tǒng)選用輸出電壓為3.3V和1.8V的AMS1117-3.3及AMS1117-1.8為DSP芯片供電。雙穩(wěn)壓芯片供電電路如圖1所示，AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片輸入5V的直流電壓輸出3.3V的直流電壓作為TMS320F2812的處理器供電電源，同時(shí)3.3V供電電壓上電后，通過穩(wěn)壓芯片AMS1117-1.8的穩(wěn)壓后輸出1.8V的內(nèi)核供電電壓，為DSP的內(nèi)核供電，實(shí)現(xiàn)了雙電壓供電方式。

2.1.2系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘的質(zhì)量和精度直接關(guān)系到檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性。本文選用30MHz有源晶振為DSP提供外部時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過DSP的PLLCR設(shè)置鎖相環(huán)的工作模式和倍頻系數(shù)，輸入5倍于時(shí)鐘信號(hào)的乘法因子得到150MHz的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。為了使DSP能夠在上電后自動(dòng)加載FLASH中的程序，需要設(shè)計(jì)可靠的復(fù)位電路，如圖2所示。電阻R、極性電容Cr和復(fù)位開關(guān)共同組成系統(tǒng)復(fù)位電路。當(dāng)電源上電后，利用電容Cr的充電，＼RS復(fù)位端維持低電平狀態(tài)，DSP上電自動(dòng)復(fù)位操作成功，復(fù)位后DSP程序從000h開始運(yùn)行。

2.2 溫度檢測(cè)電設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)礦用高壓電纜接線盒的內(nèi)部接線端子進(jìn)行溫度測(cè)量，選用溫度傳感器AD590作為溫度測(cè)量元件，測(cè)量時(shí)將溫度傳感器粘貼在電纜接線盒內(nèi)部接線端子上，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過LM358運(yùn)算放大器和HCNR201光電耦合后發(fā)送給DSP芯片，溫度檢測(cè)單元電路如圖2所示。AD590是美國AD公司研制的一種電流式集成溫度傳感器，這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，輸出1?A/K正比于絕對(duì)溫度的電流信號(hào)，具有較強(qiáng)的線性度和抗干擾能力。

2.3 超溫報(bào)警單元設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超溫報(bào)警單元由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，DSP的數(shù)字信號(hào)輸出端口輸出端和電阻、報(bào)警指示燈相連接，礦用高壓電纜接線盒溫度過高時(shí)DSP輸出高電平，報(bào)警指示燈（發(fā)光二極管）閃爍，同時(shí)與蜂鳴器相連接的DSP端口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警警報(bào)，提醒工作人員進(jìn)行超溫事故處理，同時(shí)設(shè)有復(fù)位電路，用于關(guān)掉報(bào)警信號(hào)。

三、結(jié)束語

本文礦用高壓電纜接線盒溫度測(cè)試問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于DSP的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了DSP最小系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)單元和超溫報(bào)警單元。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能高和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，為煤礦井下高壓接線盒狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 國家安全監(jiān)管總局 國家煤礦安監(jiān)局.關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察工作的通知.〔2012〕130號(hào)；

[2] 周龍，陳明義.電力電纜絕緣性能檢測(cè)方法分析[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（2）：60-62.

[3] 任慧， 孫繼平.礦用電纜溫度在線監(jiān)測(cè)方法的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（12）.