陳淑云郭慶瑞楊利剛

（1.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

基于片上可編程技術(shù)的礦用電纜故障檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

陳淑云1郭慶瑞1楊利剛2

（1.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

針對(duì)現(xiàn)有電纜故障檢測(cè)儀器體積大、便攜性差、不適合在煤礦井下特殊環(huán)境中使用的問(wèn)題，本文采用了時(shí)域反射技術(shù)和等效采樣原理，結(jié)合SOPC技術(shù)，根據(jù)其具備的軟硬件系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電纜故障檢測(cè)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備不僅可對(duì)電纜短路、斷路故障準(zhǔn)確定位，同時(shí)還具有體積小、便攜性高、成本低、易操作等特點(diǎn)，適合于煤礦井下應(yīng)用及推廣。

煤礦；電纜故障檢測(cè)；片上可編程；準(zhǔn)確定位；時(shí)域分析

電纜作為一種常規(guī)的傳輸介質(zhì)，在煤礦井下各類系統(tǒng)中大量使用。由于井下環(huán)境復(fù)雜，電纜易受老化、浸蝕、外力等因素破壞，導(dǎo)致故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率［1］。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的精度較高的電纜故障檢測(cè)儀器大都以臺(tái)式為主，體積大、便攜性差［2］。由于煤礦井下使用環(huán)境的特殊性，對(duì)電纜故障的排查、處理主要依靠人工進(jìn)行，因此對(duì)檢測(cè)設(shè)備的便攜性要求非常高。所以常規(guī)的電纜故障檢測(cè)儀器并不適合煤礦井下使用和推廣。針對(duì)該問(wèn)題，筆者將電纜故障檢測(cè)技術(shù)與片上可編程（SOPC）技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款適合于煤礦井下應(yīng)用的電纜故障檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備不僅可對(duì)電纜短路、斷路故障準(zhǔn)確定位，同時(shí)還具有體積小、成本低、易操作等特點(diǎn)。

1　基于時(shí)域反射技術(shù)的電纜故障檢測(cè)方法

基于時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜故障檢測(cè)時(shí)，在電纜一端輸入脈沖電壓信號(hào)（如圖1所示），當(dāng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中遇到斷線或者混線故障的時(shí)候，由于電纜阻抗發(fā)生變化便會(huì)在故障點(diǎn)產(chǎn)生反射信號(hào)［3］?；趦x器精準(zhǔn)的時(shí)基電路，可計(jì)算出信號(hào)發(fā)射與檢測(cè)到反射信號(hào)瞬間的時(shí)間差△T，由公式Lx=V·△T/2便可計(jì)算出故障點(diǎn)距檢測(cè)儀器的距離［4］。同時(shí)對(duì)反射信號(hào)特征進(jìn)行分析，從而判斷出故障類型。

基于時(shí)域反射技術(shù)的電纜故障檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、操作方便、應(yīng)用范圍廣，檢測(cè)精度可達(dá)到0.5m，對(duì)于煤礦井下普遍鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)數(shù)公里的電纜來(lái)說(shuō)，完全符合要求。

圖1　阻抗變化（故障）的反射波形

2　礦用電纜故障檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)、微電子行業(yè)的飛速進(jìn)步，片上可編程（SOPC）技術(shù)得到了快速的發(fā)展。片上可編程（SOPC）技術(shù)是基于FPGA嵌入硬IP核（ARM等）、嵌入軟IP核（Nios II等）、固IP核和HardCopy技術(shù)等，以硬件描述語(yǔ)言和C、C++主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，借助計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)盡可能在一塊FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)一套完整的、復(fù)雜的電子系統(tǒng)。SOPC技術(shù)不僅可以對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行編程，還可實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，真正實(shí)現(xiàn)了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)［5］。

2.1設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備硬件主要由六個(gè)模塊組成。分別為基于SOPC技術(shù)的控制模塊，信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、鍵盤(pán)輸入模塊和液晶顯示模塊。如圖2所示：

圖2　設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1控制模塊

基于型號(hào)為EP4CE30F23I7N的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。主要完成設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的邏輯控制、信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)分析、人機(jī)交互等功能。

2.1.2信號(hào)發(fā)送模塊

基于成熟的RC模擬電路實(shí)現(xiàn)。將控制模塊產(chǎn)生的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合電纜故障檢測(cè)要求入射信號(hào)。

2.1.3反射信號(hào)采樣模塊

基于AD采樣芯片和現(xiàn)已非常成熟的模擬電路實(shí)現(xiàn)。由SOPC模塊控制采樣芯片對(duì)經(jīng)過(guò)放大后的反射信號(hào)進(jìn)行采樣，并將結(jié)果反饋到SOPC模塊。

2.1.4存儲(chǔ)、鍵盤(pán)輸入和液晶顯示模塊

基于成熟的芯片及電路實(shí)現(xiàn)。用來(lái)對(duì)設(shè)備運(yùn)行代碼、參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；鍵盤(pán)輸入模塊和液晶顯示模塊主要用來(lái)完成人機(jī)交互。

2.2設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)

整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。本設(shè)計(jì)涉及的代碼部分分為軟件編程和硬件編程兩部分［4］。軟件編程通過(guò)Quartus II 10.0開(kāi)發(fā)軟件自帶的SOPC Builder工具，在FPGA芯片中根據(jù)需求進(jìn)行系統(tǒng)配置，搭建Nios II軟核。主要采用C語(yǔ)言完成設(shè)備邏輯控制、檢測(cè)信號(hào)控制、采樣模塊控制、采樣結(jié)果數(shù)據(jù)分析、人機(jī)交互等邏輯性較強(qiáng)、不便于硬件語(yǔ)言描述的功能模塊；硬件編程則利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言基于FPGA芯片，以硬件電路的方式實(shí)現(xiàn)如邏輯門(mén)電路、分頻模塊、RAM模塊、等效采樣模塊等。

圖3　設(shè)備軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3等效采樣模塊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)Nyquist（奈奎斯特）采樣定理，為能夠完整的重建波形，采樣頻率至少應(yīng)為被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍［5］。本設(shè)計(jì)中，故障檢測(cè)設(shè)備要采樣的反射信號(hào)頻率與發(fā)送信號(hào)相同，一般都非常高。直接進(jìn)行采樣難度較大，且容易造成信號(hào)失真。所以選擇等效采樣［7］［8］的方法對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行采樣。如圖4所示，反射信號(hào)頻率的周期為T(mén)，則頻率為f1=1/T，設(shè)備每次采樣的頻率為f2，則若要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整周期的信號(hào)采樣，必須進(jìn)行n=f1/f2次采樣，每?jī)纱尾蓸又g的時(shí)延△T=T/n。第一次等效采樣延時(shí)n個(gè)△T后進(jìn)行一次頻率為f2的采樣，第二次則等效采樣則經(jīng)過(guò)（n-1）個(gè)△T后進(jìn)行，以此類推重復(fù)操作直到完成n次采樣為止。

實(shí)現(xiàn)等效采樣此時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣頻率由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)和分頻器配合產(chǎn)生。軟核通過(guò)控制采樣芯片的采樣時(shí)序和自動(dòng)地址生成器模塊，將采樣值存儲(chǔ)到可讀寫(xiě)存儲(chǔ)模塊中。軟核將存儲(chǔ)模塊中數(shù)據(jù)信息讀出、根據(jù)采樣頻率和被測(cè)頻率周期實(shí)現(xiàn)等效采樣。

圖4　等效采樣原理示意圖

3　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

分四組實(shí)驗(yàn)對(duì)該電纜故障檢測(cè)裝置的性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為故障點(diǎn)分別為50m、200m、880m、1000m的礦用電纜。測(cè)試結(jié)果如表1所示：

表1　電纜故障檢測(cè)裝置測(cè)試結(jié)果

從表中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)的基于SOPC技術(shù)的礦用電纜故障檢測(cè)設(shè)備對(duì)斷路、斷路故障檢測(cè)精度、穩(wěn)定度都較高，測(cè)試方差小于0.3m2。同時(shí)設(shè)備體積也僅相當(dāng)于現(xiàn)有同類產(chǎn)品的四分之一，成本僅3000元人民幣左右，有非常好的便攜性和高的性價(jià)比。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將電纜故障檢測(cè)技術(shù)與SOPC技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)完成的基于SOPC技術(shù)的礦用電纜故障檢測(cè)裝置，不僅可對(duì)電纜短路、斷路故障準(zhǔn)確定位，還因?qū)④浖惴ê蛷?fù)雜的邏輯電路基于一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)完成，大大縮小了設(shè)備的體積、使設(shè)備具有很好的便攜性。同時(shí)降低了成本、提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適合于煤礦井下應(yīng)用及推廣。

［1］朱云華，等.電力電纜故障測(cè)距綜述［J］.繼電器，2006（14）：81-88.

［2］張玉均，等.基于DSP的煤礦電纜故障測(cè)距系統(tǒng)［J］.煤礦安全，2014（11）：110-112.

［3］蔣子曾.利用TDR法監(jiān)測(cè)同軸電纜故障的原理與仿真［J］.通信技術(shù)，2014（16）：70-71.

［4］覃劍，等.基于小波變換技術(shù)的輸電線路單端行波故障測(cè)距［J］.電力系統(tǒng)自化，2005，29（19）：62-65

［5］周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

TheDesign of MineCableFault Detection Devicebased on theSOPC Technology

Chen Shuyun1Guo Qingrui2Yang Ligang2
（1.State Power Construction Investment Inner Mongolia Energy Co.，Ltd.，Erdos Inner Mongolia 017209；2.Chahasu Coal Mine，State Power Construction Investment Inner Mongolia Energy Co.，Ltd.，Erdos Inner Mongolia 017209）

In view of the problems that the existing cable fault detection equipment has large size，poor portability and is not suitable to be used in the special environment under the coal mine.The paper adopted time domain reflection technology and equivalent sampling principle，combined with SOPC technology，the cable fault detection equipment was designed and implemented based on the programming characteristics of its equipped software and hardware system.The experimental results showed that the device can have an accurate positioning for cable short circuit and open circuit fault，but also has small size，high portability，low cost and easy operation，which is suitable for the application and popularization under coal mine

coal mine；cable fault detection；SOPC；accurate positioning；time domain reflection

TM774

A

1003-5168（2015）12-0060-3

2015-11-14

陳淑云（1975-），女，助理工程師，研究方向：煤炭洗選及煤礦機(jī)電管理。