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嵌入式高壓隔爆開(kāi)關(guān)微機保護測控系統的研究方案
1 引言
高壓隔爆開(kāi)關(guān)是煤礦井下供電的關(guān)鍵設備，開(kāi)發(fā)高性能的集保護、測量、控制、通信于一體的高壓隔爆開(kāi)關(guān)微機保護測控單元對提高煤礦井下供電質(zhì)量和保護井下的人員安全有非常重要的意義[3]。
目前。國內許多高壓開(kāi)關(guān)測控系統主要采用16 位單片或者8 位單片機＋DPS 雙CPU 構成現場(chǎng)測控單元，通過(guò)RS-485，CAN 總線(xiàn)等通訊方式與主控室工作站構成測控系統。然而，由于這些單片機系統缺乏操作系統的支持，因此難以形成模塊化程度高，便于維護和升級的軟硬件系統。同時(shí)，隨著(zhù)配電網(wǎng)尤其是礦山配電網(wǎng)系統可靠性要求的進(jìn)一步提高，測控系統網(wǎng)絡(luò )化的要求也越來(lái)越高。近年來(lái)，32 位單片機越來(lái)越受到人們重視，尤其是擁有豐富外設的ARM32 位MCU。
2 ARM 嵌入式技術(shù)在本系統中的應用
近年來(lái)，嵌入式系統的發(fā)展越來(lái)越快，并以其獨特的優(yōu)勢在各控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。
廣義上講，嵌入式系統是指將單片機，DSP，MCU 等在某方面功能得到強化而在其他方面功能弱化的能嵌入到設備內部來(lái)控制設備的專(zhuān)用CPU，是相對于普通PC 機內的通用CPU而言的。隨著(zhù)軟件系統的發(fā)展，嵌入式系統已經(jīng)被理解為可以移植并運行實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）的微控制器，在這方面ARM 技術(shù)在業(yè)內處于領(lǐng)先地位。
Cortex M3 是ARM 公司推出的一款新型內核，它具有最高可達72MHZ 的工作頻率，并內嵌單周期硬件乘法和除法器，這對提高計算速度有重大意義。該內核一經(jīng)公布便被ST（意法半導體）公司購入。在這個(gè)內核的基礎上，ST 公司推出了STM32F103 系列微控制器。
該系列微控制器具有豐富的外設：從32K 到128 字節的閃存程序存儲器，6K 到20K 字節的SRAM；兩個(gè)12 位16 通道的AD；7 通道DMA 控制器；最多可達80 個(gè)快速I(mǎi)/O 口；7 個(gè)定時(shí)器；2 個(gè)I2C 接口；3 個(gè)USART 接口；2 個(gè)SPI 同步串行接口；CAN 控制器；USB 接口；并可擴展SD/MMC 存儲卡。國際著(zhù)名的軟件開(kāi)發(fā)工具KEIL 支持該系列芯片，針對每一款微控制器都給出了起動(dòng)代碼和底層驅動(dòng)程序，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。
3 系統的主要功能
3.1 電網(wǎng)數據采集
該微控制器內置了兩個(gè)12 位16 通道的高速AD 轉換器，經(jīng)測試，精度及速度都滿(mǎn)足要求。因此該保護系統無(wú)須外擴AD 芯片，直接采用CPU 內置的AD 轉換器即可。本系統采集電網(wǎng)三相電壓，兩相電流，零序電壓和電流，監視線(xiàn)電壓和電流；并計算出有功功率、無(wú)功功率，功率因數等電網(wǎng)數據，稍加改進(jìn)即可實(shí)現電能采集。
3.2 保護功能
(1).電流保護：本裝置設計了三段式電流保護。所謂三段式電流保護，即電流速斷保護+限時(shí)電流速斷保護+反時(shí)限電流保護（或者定時(shí)限過(guò)電流保護）。其中，電流速斷保護和限時(shí)電流速斷保護構成線(xiàn)路的主保護，反時(shí)限電流或者定時(shí)限過(guò)電流保護作為后備保護使用。
(2).監視線(xiàn)保護：所謂監視線(xiàn)保護，就是監視雙屏蔽電纜的監視線(xiàn)和接地線(xiàn)之間有無(wú)短路或監視線(xiàn)和接地線(xiàn)有無(wú)短線(xiàn)故障的一種保護。本設計選擇終端加電阻的低頻交流監視線(xiàn)保護原理，這種方法可以通過(guò)數學(xué)的措施大幅度的提高監視線(xiàn)保護的抗干擾能力。
(3).選擇性漏電保護：現在井下供電系統廣泛采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈方式，同時(shí)中性點(diǎn)不接地系統也存在著(zhù)，本文針對這兩種不同的方式分別選擇不同的選擇性漏電保護原理。
在中性點(diǎn)不接地系統中，采用零序功率方向型漏電保護方法；在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統中，采用消弧線(xiàn)圈并聯(lián)電阻的方法實(shí)現漏電保護以及接地選線(xiàn)。
(4).欠壓保護：當電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓不足額定值的65%(可定值整定)時(shí)，跳開(kāi)開(kāi)關(guān)[4]；(5).過(guò)壓保護：當電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電壓超過(guò)額定值的118%(可定值整定)時(shí)，跳開(kāi)開(kāi)關(guān)；(6).其它保護：本系統同時(shí)還具有風(fēng)電閉鎖和瓦斯閉鎖功能。
3.3 故障追憶和故障錄波功能
裝置在完成保護功能的同時(shí)，可實(shí)現故障數據記憶功能，為故障進(jìn)一步分析提供依據。
故障信息還包括累計跳閘次數及其相應的故障類(lèi)型，故障時(shí)間和故障數據，故障追憶多達99 次。同時(shí)，本微控制器支持SD/MMC 存儲卡接口，能外接相應的數據存儲卡，可以輕松應對故障錄波的大容量數據存儲要求。
3.4 通信功能
該微控制器自帶CAN 控制器，只需外接收發(fā)裝置即可實(shí)現CAN 通信。如果沒(méi)有現場(chǎng)CAN 總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，該微控制器內部集成的有3 個(gè)USART，可以通過(guò)外加控制芯片來(lái)實(shí)現RS-232 和RS-485 通信系統。在設計時(shí)候可以根據不同現場(chǎng)進(jìn)行不同設計剪裁[1]。
需要指出的是，本系統所使用的CPU 同時(shí)含有以太網(wǎng)模塊，如果在實(shí)際應用中需要通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，只需對相應的模塊進(jìn)行編程即可，無(wú)須更換硬件。
4 系統的硬件設計
高壓開(kāi)關(guān)微機保護測控單元的硬件結構是根據保護的要求而設計的。原理框圖如下：
采用插件式電路板的設計思路。整個(gè)硬件系統分為核心電路板，外圍電路板和連接電路板三部分。核心板包括了一塊STM32F103 為控制器，一片含EEPROM、看門(mén)狗電路、時(shí)鐘的外圍芯片，一片內部帶光電隔離的CAN 收發(fā)電路芯片；外圍板上其上放置所有的數據采集通道、各種實(shí)驗電路以及連接人機接口的插件；連接電路板上沒(méi)有芯片，只有線(xiàn)路和插槽，這樣的設計即方便了控制器內部的安裝又方便了控制器和外部執行機構和人際接口的連接。
5 系統的軟件設計
系統的軟件設計中采用了順序結構，模塊化設計思想。軟件的模塊化設計，可以節省裝置的開(kāi)發(fā)時(shí)間，使程序結構清晰，便于進(jìn)一步擴展，更主要的是提高了軟件的設計可靠性和運行可靠性。軟件部分的主要模塊有：故障處理模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)處理模塊、通信模塊、自檢模塊等組成。
實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）是嵌入式系統的重要組成部分，在此選擇的操作系統為uC/OSII。
在嵌入式操作系統的軟件中，uC/OSII 是規模最小的系統之一，它實(shí)際上就是一個(gè)微內核。
除了那些與硬件關(guān)系極為緊密的軟件模塊不得不用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)之外，uC/OSII 的絕大多數代碼都是用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的。uC/OSII 是一個(gè)源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，源代碼為C 語(yǔ)言，具有很強的移植性，能單獨在一個(gè)CPU 上運行，非常適合應用在電力系統的內嵌微控制器上。通過(guò)引入uC/OSII，利用其多任務(wù)管理、實(shí)時(shí)性、任務(wù)間通信等特點(diǎn)，使儀器儀表具備多功能性、處理及時(shí)和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。自發(fā)布以來(lái)，在很多領(lǐng)域成功應用該實(shí)時(shí)內核的實(shí)例充分證明了它的實(shí)用性和可靠性[2]。
6 樣機性能指標
根據相關(guān)的國家標準，我們對設計出的樣機進(jìn)行了電磁兼容試驗。如圖3 所示為被試設備接線(xiàn)圖。
檢驗環(huán)境溫度為24℃，相對濕度為57%，依據相關(guān)國家標準（GB/T 17626.2-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T 17626.11-1999，GB/T 17626.5-1999）以及電磁兼容的試驗和測量技術(shù)對樣機進(jìn)行了下述性能的檢測：
�。�1）靜電放電抗擾度；
�。�2）電快速瞬變脈沖群抗擾度；
�。�3）電壓突降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度；
�。�4）浪涌（沖擊）抗擾度；按照技術(shù)要求，在試驗期間，受試設備應正常運行，允許暫時(shí)功能降低，但能自恢復。試驗之后，受試設備應仍能符合有關(guān)性能要求。
對樣機進(jìn)行了上述四個(gè)方面的實(shí)驗，實(shí)驗結果樣機實(shí)際性能能夠達到A 級標準，而超過(guò)規定的B 級保準，符合實(shí)驗要求。
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