摘 要：該文主要探究露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)其故障檢測(cè)與定位功能的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)由用于收集數(shù)據(jù)的檢測(cè)監(jiān)控裝置和用于分析數(shù)據(jù)的主監(jiān)控裝置組成。系統(tǒng)采用PIC18F6620單片機(jī)作為主控芯片，當(dāng)識(shí)別到地線連接狀態(tài)異常或者是開關(guān)柜閉鎖故障等特殊情況時(shí)，會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警并在液晶顯示屏上提供故障相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)故障定位進(jìn)而指導(dǎo)工作人員展開故障維修。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，該系統(tǒng)對(duì)常見的電阻超限、斷路和短路等故障誤報(bào)率控制在5%以內(nèi)，并且故障定位精度可以達(dá)到99%，為露天礦高壓供電系統(tǒng)的可靠與安全運(yùn)行提供幫助。

關(guān)鍵詞：地線連接;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);故障定位;聲光報(bào)警;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TD613 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0104-04

Abstract： This paper mainly explores the design points of the system for real-time monitoring and fault location of ground wire connection status in open-pit mines， and tests the realization of its fault detection and location functions. The system consists of a detection and monitoring device for collecting data and a main monitoring device for analyzing data. The system uses PIC18F6620 MCU as the main control chip. When special circumstances such as abnormal ground connection status or switch cabinet locking failure are identified， it will provide sound and light alarm and provide fault-related information on the LCD screen to realize fault location. Then guide staff to carry out fault maintenance. Judging from the experimental results， the system controls the false alarm rate of common faults such as excessive resistance， open circuit and short circuit within 5%， and the fault location accuracy can reach 99%， providing the reliable and safe operation of the open-pit mine high-voltage power supply system.

Keywords： ground wire connection; real-time monitoring; fault location; sound and light alarm; MCU

勝利露天礦在開采過程中通過移動(dòng)變電站向采煤機(jī)、輸送機(jī)等提供高壓電，部分大型設(shè)備的外殼無(wú)法就近與地面連接，必須要利用電纜中的地線將設(shè)備外殼與移動(dòng)變電站的地線連接，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備的間接接地。由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，加上設(shè)備需要頻繁移動(dòng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地線連接不良的情況，這種情況下觀察電纜外表難以發(fā)現(xiàn)故障，不利于故障的及時(shí)維修?；诖耍O(shè)計(jì)一種可以對(duì)露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且能夠在故障發(fā)生后進(jìn)行故障定位的系統(tǒng)就顯得十分必要。

1 露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)包含客戶端、主監(jiān)控裝置、檢測(cè)控制裝置3部分。將移動(dòng)開關(guān)柜作為檢測(cè)點(diǎn)并獲取線路電壓、箱體編號(hào)、柜門閉鎖狀態(tài)等信息，以設(shè)定好的頻率（默認(rèn)為10 ms/次）將數(shù)據(jù)發(fā)送至主監(jiān)控裝置。在主監(jiān)控裝置完成數(shù)據(jù)分析后判斷地線連接狀態(tài)、柜門閉鎖狀態(tài)，如果識(shí)別到異常信息則啟動(dòng)故障定位功能，追溯故障所在位置并通過聲光報(bào)警提醒工作人員。工作人員從液晶顯示屏上查看詳細(xì)信息，了解故障信息后進(jìn)行精準(zhǔn)處理[1]。該系統(tǒng)不僅做到了對(duì)線路連接狀態(tài)、柜門閉鎖狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且還具有聲光報(bào)警、液晶顯示、故障定位和即時(shí)通信等功能，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選型

單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心器件，選用了PIC系列的PIC18F6620單片機(jī)作為主控芯片，具有運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、易于程序編寫和支持直連外接設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置128 K的程序存儲(chǔ)空間和2 KB的ROM，自帶40個(gè)I/O端口和4個(gè)16 bit的定時(shí)器，支持RS485和RS232 兩種通信模式。

2.2 主監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主監(jiān)控裝置除了PIC18F6620芯片外，還包含了恒流電源、聲光報(bào)警器、電力載波通信模塊等，硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在主監(jiān)控裝置中，單片機(jī)的工作電壓是3.3～5.5 V，電力載波通信模塊的工作電壓是12 V，需要分別提供5 V和12 V的直流電壓。因此在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，選擇220 V交流電作為外部供電電源，經(jīng)過變壓器后將其降低為12 V的交流電。利用濾波器對(duì)交流電進(jìn)行整流濾波處理后輸出12 V直流電壓直接為電力載波通信模塊供電;再通過MC33063開關(guān)電源芯片將12 V直流電壓降低為5 V直流電壓，為單片機(jī)供電。利用單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能完成電壓檢測(cè)，檢測(cè)范圍0～50 V，安裝了30 kΩ和50 kΩ 2個(gè)金屬膜精密電阻作為分壓電阻，保證采樣電壓能夠降低到單片機(jī)可接受范圍，提高采樣結(jié)果的精確性。

聲光報(bào)警器設(shè)計(jì)有綠、黃、紅3種顏色的發(fā)光二極管，各自并聯(lián)一個(gè)9 014放大器。在運(yùn)行邏輯上設(shè)計(jì)為“非”邏輯，即3個(gè)二極管有且只有1個(gè)處于發(fā)光狀態(tài)，綠燈亮起表示“正常”，黃燈亮起表示“警示”，紅燈亮起表示“報(bào)警”。如果檢測(cè)到高壓供電線路處于“警示”或“報(bào)警”狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，此時(shí)蜂鳴器工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警[2]。電力載波通信模塊選用KQ-130F模塊，具有體積小巧、抗干擾能力強(qiáng)、支持遠(yuǎn)距離通信等特點(diǎn)，可以與PIC18F6620芯片直連。

2.3 檢測(cè)控制裝置設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制裝置也包含了PIC18F6620芯片、電源電路、聲光報(bào)警器等硬件設(shè)備，除此之外還增加了門閉鎖檢測(cè)控制電路、開關(guān)柜箱體編號(hào)檢測(cè)電路，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

門閉鎖檢測(cè)控制電路是利用PIC18F6620芯片檢測(cè)引腳的電平狀態(tài)進(jìn)而識(shí)別出柜門閉鎖狀態(tài)。在該電路中加入了一個(gè)48 Ω的上拉電阻，當(dāng)引腳輸出低電平時(shí)表示柜門為閉鎖狀態(tài)，當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)表示柜門為打開狀態(tài)。同時(shí)，在開關(guān)柜內(nèi)側(cè)上方通過螺絲固定的方式安裝一塊電磁鐵，并設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大電路驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作。當(dāng)引腳輸出高電平、檢測(cè)到柜門呈打開狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)送控制指令使電磁鐵上電工作吸合柜門，讓柜門閉鎖[3]。

開關(guān)柜箱體編碼檢測(cè)電路的核心元件是9位撥碼開關(guān)，可表示1～999的任意箱體編號(hào)。從撥碼開關(guān)的2個(gè)接線柱引出線纜，一條線纜直接接地，另一條線纜接入PIC18F6620芯片的12#引腳?？紤]到單片機(jī)12#引腳沒有提供內(nèi)部上拉電阻，為了確保單片機(jī)可以準(zhǔn)確識(shí)別箱體編號(hào)，在該檢測(cè)電路中并聯(lián)1個(gè)48 kΩ的電阻作為上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

綜合考慮運(yùn)行條件、安裝環(huán)境等因素，該系統(tǒng)采用了嵌入式軟件。采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，使用HI-TECH PICC10.2編譯器，基于MPLAB IDE v.11.6工具進(jìn)行軟件開發(fā)。為了配合系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，分別進(jìn)行了主監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計(jì)和檢測(cè)控制裝QKt956fwuzmBv26A+dE1PYmH0fvEn1GxhBKqeHmvScg=置的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，主監(jiān)控裝置獲取檢測(cè)控制裝置采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并作出分析，經(jīng)分析確認(rèn)無(wú)故障后投入生產(chǎn)。在露天礦開采過程中主監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控恒流源的輸出電壓，一旦電壓波動(dòng)變化超出閾值范圍立即報(bào)警并進(jìn)行故障定位。

3.1 主監(jiān)控裝置軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行后，主監(jiān)控裝置軟件首先進(jìn)行I/O端口初始化、顯示屏初始化、串口初始化，然后執(zhí)行一個(gè)判斷程序“是否接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)”。如果未接收到來(lái)自檢測(cè)控制裝置提供的數(shù)據(jù)，則進(jìn)一步判斷“是否處于故障狀態(tài)”。如果不存在故障，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，周期性地（默認(rèn)為1 s）執(zhí)行上述循環(huán)程序，直到檢測(cè)到有新的數(shù)據(jù)傳入。此時(shí)主監(jiān)控裝置軟件開始對(duì)接收的檢測(cè)數(shù)據(jù)展開分析。根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行判斷程序“線路連接是否正常”，如果判斷為“否”，在液晶顯示屏上呈現(xiàn)故障的詳細(xì)信息（如故障類型、故障位置等）并進(jìn)行聲光報(bào)警;如果判斷為“是”，正常顯示系統(tǒng)的功能界面。在投入生產(chǎn)后，主監(jiān)控裝置軟件實(shí)時(shí)獲取恒流源的輸出電壓，如果實(shí)際電壓穩(wěn)定在安全閾值范圍（工作電壓±3 V）以內(nèi)，則線路地線連接正常;反之，如果實(shí)際電壓最大波動(dòng)在3～30 V則判斷為電阻故障，如果實(shí)際電壓最大波動(dòng)超過30 V則判斷為短路故障[4]。此時(shí)發(fā)送一個(gè)鎖死柜門的命令，讓開關(guān)柜鎖死，然后等待接收下一次數(shù)據(jù)。主監(jiān)控裝置軟件工作流程如圖4所示。

3.2 檢測(cè)控制裝置軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)控制裝置運(yùn)行后也需要進(jìn)行一系列的初始化，考慮到前端分布有若干個(gè)檢測(cè)控制裝置，為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞的情況，本文在軟件設(shè)計(jì)中添加了“自適應(yīng)排序程序”。檢測(cè)控制裝置提供自己的編號(hào)，系統(tǒng)判斷該裝置是否為最后一個(gè)，如果是則排序結(jié)束，如果不是則繼續(xù)排序。同時(shí)定義多個(gè)存儲(chǔ)數(shù)組，如檢測(cè)到的線路電壓存入數(shù)組Save[0]，檢測(cè)到的箱體編號(hào)存入數(shù)組Save[1]，檢測(cè)到的開關(guān)柜閉鎖狀態(tài)存入數(shù)組Save[2]等，將這些數(shù)組傳送至主監(jiān)控裝置[5]。然后循環(huán)執(zhí)行若干個(gè)判斷語(yǔ)句，如“是否收到柜門鎖死命令”“是否收到主監(jiān)控監(jiān)測(cè)命令”“是否收到重啟命令”等。如果判斷結(jié)果為“否”，則按照順序依次執(zhí)行下一條程序;如果判斷結(jié)果為“是”，則執(zhí)行該條命令，同時(shí)系統(tǒng)初始化。在檢測(cè)到柜門存在閉鎖故障后，進(jìn)行聲光報(bào)警。檢測(cè)控制裝置軟件工作流程如圖5所示。

4 露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)的測(cè)試

露天礦高壓供電系統(tǒng)在日常運(yùn)行中比較常見的故障有電阻警示故障、電阻超限故障、短路故障、斷路故障和閉鎖故障5種類型，本文使用露天礦地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)對(duì)這些故障進(jìn)行了測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中人為設(shè)置故障，為了消除誤差采取了重復(fù)性測(cè)試，對(duì)每一類故障重復(fù)模擬100次，記錄準(zhǔn)確判斷故障的次數(shù)，并計(jì)算誤報(bào)率，結(jié)果見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)對(duì)5類常見故障均保持較高的檢出率，誤報(bào)率基本上控制在5%以內(nèi)。同時(shí)，選取了“電阻超限”故障，判斷該系統(tǒng)對(duì)故障定位的準(zhǔn)確性。在線路中放置了10個(gè)檢測(cè)控制裝置，并在相鄰的裝置之間模擬電阻超限故障。在同一個(gè)故障點(diǎn)模擬10次，測(cè)試故障定位的準(zhǔn)確率。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)電阻超限故障的定位準(zhǔn)確率達(dá)到了99%，故障定位精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

勝利露天礦開采過程中頻繁出現(xiàn)地線接觸不良的情況，不僅影響了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，而且一旦出現(xiàn)高壓漏電還會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全構(gòu)成威脅。因此，無(wú)論是基于生產(chǎn)效益還是人員安全方面的考慮，必須要做到地線連接狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的地線連接狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地線連接狀態(tài)的基礎(chǔ)上，還能準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生位置，進(jìn)而為工作人員鎖定故障區(qū)域、展開故障搶修提供了參考，提高了排查效率，保證了露天礦生產(chǎn)作業(yè)的高效率和安全化開展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武麗梅，金麗華，王曉波.結(jié)合星載與地基InSAR技術(shù)的露天礦地表形變監(jiān)測(cè)[J].北京測(cè)繪，2023（3）：448-453.

[2] 史斌杰，唐堂，陳亞杰.露天礦用重型卡車發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2023（2）：52-54.

[3] 陳子江.基于GNSS的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2023（4）：568-573.

[4] 陳劍平.安家?guī)X露天煤礦高壓供電地線連續(xù)性監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].露天采礦技術(shù)，2022（11）：42-44.

[5] 周政，蘇振浩，古雨鈴.基于UWB技術(shù)的智能接地線綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用[J].農(nóng)村電工，2023（8）：42-42.

作者簡(jiǎn)介：邢拴龍（1984-），男，工程師。研究方向?yàn)楣┡潆娤到y(tǒng)。