基于ARM9嵌入式系统的矿用组合开关研究优秀毕业论文.pdf

。 l f ft 中图分类号：论文编号： 学科分类号：51 q ：墨q 垒q 密 级：公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 基于a r m 9 嵌入式系统的矿用组合开关研究 作者姓名：塞筮嫠 专业名称：电路皇丕统 研究方向一 电路皇丕统遮盐自动丝 导师姓名：欧田刍三数援 导师单位塞筮理王太堂 答辩委员会主席： 主蚴丕 ， 论文答辩日期：功。年i 月j 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 0 年月日 t h e ，雄 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得安徽理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：魁日期：坦年丘 月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理三太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞邀堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辫$ 岛 导师张识阳三 签字日期：2 , , i o # - 6 签字日期：刃o 年6 月弓日 月名日 ) 、涔 摘要 摘要 由于井下环境恶劣，传统的开关保护电路过于复杂，插件较多，满足不了安 全供电的要求。同时，低压电网经常会出现漏电、短路等各种故障，需要煤矿井 下综合自动化水平和安全生产水平得到进一步提高，采煤设备的控制由多个单一 的开关逐渐演变成矿用隔爆型智能组合开关。 随着信息技术和计算机网络的发展，微处理器和计算机技术引进到一些控制 设备，使组合开关系统具有了智能化的功能。本文将结合嵌入式技术、传感器技 术、工业以太网技术以及自动控制原理，设计矿用隔爆型智能组合开关控制系统， 实现分散控制、集中管理。它适用于含有甲烷混合气体、具有煤尘爆炸危险的煤 矿井下。在交流5 0 h z 、电压3 3 k v 的供电线路中，对综采工作面采煤机、刮板运 输机、转载机、破碎起动机、停止及双速切换、主从顺序进行控制。另外，矿用 隔爆型智能组合开关还运用d s p 数字信号处理、c a n 总线、网络化接口等创新 技术，实现短路、过载、欠压过压、漏电闭锁等保护和中文显示、故障诊断等功 能。 在组合开关控制系统中，主控芯片采用韩国三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 型a r m 9 芯片和t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 0 6 型d s p 芯片。本文详细介绍了组合开关控制系 统的软、硬件设计方案，控制系统的原理，嵌入式操作系统w i n c e 环境下的移植， 以及控制系统应用程序的实现。并对电网发生的漏电故障作出了详细的分析，在 综合现有的选择性漏电保护技术的基础上，提出将计算机技术引入漏电保护，从 而构成可通信式选择性漏电保护系统的新思路。简化了传统装置的设计，改善了 漏电保护的性能，提高了系统的可靠性。 经试验调试，该组合开关控制系统能集测量、保护、控制、显示和通讯于一 体，能适合煤矿井下开关的组合化发展需要，应用前景十分乐观。 图 5 7 】参【5 2 】 关键词：嵌入式系统；c a n 总线；组合开关；w i n c e 移植；选择性漏电保护 分类号：( t p 2 3 ) - ， a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ep o o re n v i r o n m e n to fc o a lm i n eu n d e r g r o u n d ，t h et r a d i t i o n a ls w i t c h p r o t e c t i o nc i r c u i tw h i c hh a sl a r g en u m b e ro fp l u g sa n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ec a nn o t s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs a f ep o w e rs u p p l y a tt h es a l t l et i m e ，l o w v o l t a g ep o w e r g d do f t e no c c u r sl e a k a g e ，s h o r tc i r c u i ta n do t h e rf a u l t s s ot h ea u t o m a t i o nl e v e la n d t h es a f e t ys t a n d a r d ss h o u l db ef u r t h e ri m p r o v e d ，c o a lm i n i n ge q u i p m e n t sc o n t r o l l e db y as i n g l es w i t c hg r a d u a l l ye v o l v e di n t ot h em i n e - - u s e df l a m e - p r o o fi n t e l l i g e n c e a s s e m b l e ds w i t c h a si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kd e v e l o p m e n t , t h ei n t r o d u c t i o n o fm i c r o p r o c e s s o r sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt os o m ec o n t r o ld e v i c e ，m a k et h e a s s e m b l e ds w i t c hh a sa l li n t e l l i g e n tf u n c t i o n t h i st h e s i sc o m b i n e se m b e d d e d t e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , e t h e r n e tt e c h n o l o g ya n dp r i n c i p l e so f a u t o m a t i cc o n t r o l ， d e s i g n e da ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fm i n e - - u s e df l a m e - p r o o fa s s e m b l e ds w i t c ht o a c h i e v ed e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t i ta p p l i e st ot h ec o a lm i n e u n d e r g r o u n dw h i c h c o n t a i n sm e t h a n eg a sa n dr i s ko fc o a ld u s te x p l o s i o n i na c 5 0 h z ，v o l t a g e3 3 k vp o w e rs u p p l yl i n e ，c o n t r o lo b j e c ti n c l u d ef u l l y - m e c h a n i z e df a c e s h e a r e r , s c r a p e rc o n v e y o r , t r a n s f e rm a c h i n e ，c r u s h i n gs t a r t e r , s t o pa n dd u a l s p e e d s w i t c h i n ga n dm a s t e r s l a v eo r d e r i na d d i t i o n ，t h em i n e u s e df l a m e p r o o fi n t e l l i g e n c e a s s e m b l e ds w i t c ha l s ou s e di n n o v a t i v et e c h n o l o g ys u c ha sd s pf o rd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，c a nb u sa n dn e t w o r ki n t e r f a c et oa c h i e v ep r o t e c t i o n o fs h o r tc i r c u i t ， o v e r l o a d ，u n d e r v o l t a g e o v e r v o l t a g ea n dl e a k a g el o c k i n g ，c h i n e s ed i s p l a y , a n df a u l t d i a g n o s i s i nt h ea s s e m b l e ds w i t c hc o n t r o ls y s t e m ，m a i nc o n t r o lc h i p sa r es a m s u n g sa r m 9 s 3 c 2 4l0a n dt i sd s pt m s 3 2 0 l f 2 8 0 6 t 1 1 i st h e s i sd e t a i l st h ea s s e m b l e ds w i t c h c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，c o n t r o ls y s t e mt h e o r y , f r o mt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt ow i n c ee n v i r o n m e n tt r a n s p l a n t ，a sw e l l a st h e a c h i e v e m e n to fc o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o n s ，g i v e sad e t a i l e da n a l y s i st ot h el e a k a g e f a u l t ，i nt h ei n t e g r a t i o no fe x i s t i n gs e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y t h et h e s i s p r o p o s e st h el e a k a g ep r o t e c t i o nw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h u st h es y s t e mc o n s t i t u t e s ac o m m u n i c a t i o n s e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o ns y s t e mi nan e wi d e a i ts i m p l i f i e st h e d e s i g no ft r a d i t i o n a l d e v i c e sa n di m p r o v e sl e a k a g ep r o t e c t i o np e r f o r m a n c ea n d i i a b s t r a c t r e l i a b i l i t yo f t _ h es y s t e m b yt e s ta n dd e b u g ，t h i sa s s e m b l e ds w i t c hc o n t r o ls y s t e mc o m b i n e sf u n c t i o n so f m e a s u r e m e n t , p r o t e c t i o n , c o n t r o l ，d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o n i ti s s u i t a b l ef o r a s s e m b l e dd e v e l o pr e q u i r e m e n to fc o a lm i n eu n d e r g r o u n ds w i t c h ，t h ea p p l i c a t i o n p r o s p e c ti sv e r yp r o m i s i n g f i g u r e 5 7 】r e f e r e n c e 【5 2 】 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；c a nb u s ；a s s e m b l e ds w i t c h ；w i n c et r a n s p l a n t ； s e l e c t i v el e a k a g ep r o t e c t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：( t p 2 3 ) i l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外开关控制器的发展现状及存在问题。2 1 3 嵌入式系统的发展一3 1 4 课题提出及研究的意义4 1 5 本文的组织安排5 2 本设计组合开关的特性及控制系统实现方案6 2 1 组合开关的概述：6 2 1 1组合开关的适用范围6 2 1 2 组合开关的正常工作条件6 2 1 3 组合开关的主要特性6 2 2 组合开关的基本结构及工作原理一7 2 2 1组合开关的基本结构7 2 2 2 组合开关的工作原理8 2 3 组合开关的主要用途及功能1 2 2 4 组合开关控制系统的实现方案1 2 2 4 1 系统硬件结构1 3 2 4 2 系统软件结构1 4 3智能开关保护算法15 3 1 漏电保护算法1 5 3 1 1 漏电保护简介1 5 3 1 2 选择性漏电保护原理1 6 3 1 3 选择性漏电保护的选线判据一1 9 3 2 反时限过流保护算法2 0 3 2 1过载特性2 0 3 2 2 反时限过流保护算法2 l i v j l 目录 4 系统硬件设计2 3 4 1处理器选型2 3 4 1 1 选择a r m 的原因2 3 4 1 2a r m 微处理器的应用选型2 4 4 2f l a s h 与s d r a m 扩展2 6 4 3人机接口模块电路2 7 4 3 1 $ 3 c 2 410 触摸屏控制器及硬件电路。2 7 4 3 2l c d 控制器设计电路2 8 4 3 3 触摸屏与$ 3 c 2 4 1 0l c d 接口电路设计2 9 ， 4 4c a n 总线模块电路3 0 4 5r j 4 5 接口模块电路3l 4 6 温度采集与实时时钟模块3 2 4 6 1 实时时钟模块3 2 4 6 2 温度采集模块3 4 4 7 分控部分采集电路3 5 4 7 1电流与电压采集电路3 5 4 7 2 零序电流检测电路3 6 4 7 3 零序电压检测电路3 7 4 8电源电路3 7 4 9 复位电路3 7 5 系统软件设计一3 9 5 1嵌入式操作系统的移植3 9 5 2 系统应用程序的实现：4 7 5 2 1通讯模块4 9 5 2 2 保护模块。5 3 5 2 3 显示模块5 4 5 2 4 采样模块。5 7 6 组合开关控制器的上位机调试。5 8 6 1 组合开关的用户管理界面5 8 v 目录 6 2 组合开关的监控界面5 8 6 3组合开关正常保护功能界面5 9 7 总结与展望6 0 7 1 论文总结6 0 7 2 展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 作者简介及读研期间发表论文情况6 6 v i c o n t e n t s c o m e m s a b s t r a c t i a b s t r a c t i i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s u b j e c tb a c k g r o u n d 1 1 2 d e v e l o p m e n ta n dp r o b l e m so fs w i t c hc o n t r o l l e ra th o m ea n da b r o a d 2 1 3 d e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e m 3 1 4 s u b j e c tr a i s e sa n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 4 1 5 a r r a n g e m e n t so ft h i sa r t i c l e 5 2t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t a t i o np r o g r a mo fa s s e m b l e d s w i t c hi nt h i sd e s i g n 6 2 1 2 2 2 3 2 4 3i n t e ， 3 1 3 2 c o n t e n t s 3 2 2i n v e r s et i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o na l g o r i t h m 2 1 s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 2 3 4 1p r o c e s s o rs e l e c t i o n 2 3 4 1 1r e a s o n sf o rs e l e c t i n ga r m ：2 3 4 1 2 a p p l i c a t i o ns e l e c t i o no fa r mm i c r o p r o c e s s o r 2 4 4 2e x t e n s i o no ff l a s ha n ds d r a m 2 6 4 3 m o d u l ec i r c u i to fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e 2 7 4 3 1s 3 c 2 4 1 0t o u c hs c r e e nc o n t r o l l e ra n di t sh a r d w a r ec i r c u i t 2 7 4 3 2l c dc o n t r o l l e rc i r c u i td e s i g n 2 8 4 3 3 $ 3 c 2 4 1 0l c da n dt o u c h s c r e e ni n t e r f a c ec i r c u i t sd e s i g n 2 9 4 4c a nb u sm o d u l ec i r c u i t 3 0 4 5r j 4 5i n t e r f a c em o d u l ec i r c u i t 31 4 6 t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m ec l o c km o d u l e 3 2 4 6 1r e a l t i m ec l o c km o d u l e 3 2 4 6 2 t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e 3 4 4 7s u b c o n t r o l l e dp a r ta c q u i s i t i o nc i r c u i t 3 5 4 7 1c u r r e n ta n dv o l t a g ea c q u i s i t i o nc i r c u i t 3 5 4 7 2t h ed e t e c t i o nc i r c u i to f z e r o s e q u e n c ec u r r e n t 3 6 4 7 3t h ed e t e c t i o nc i r c u i to f z e r o - s e q u e n c ev o l t a g e 3 7 4 8p o w e rc i r c u i t 3 7 4 9 r e s e tc i r c u i t 3 7 s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 3 9 5 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t 3 9 5 2 r e a l i z a t i o no fs y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a m 4 7 5 2 1c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 4 9 5 2 2p r o t e c t i o nm o d u l e 5 3 5 2 3 d i s p l a ym o d u l e 5 4 5 2 4 s a m p l em o d u l e 5 7 6t h ep cd e b u go fa s s e m b l e ds w i t c hc o n t r o l l e r 5 8 v i i i s 。， c o i l t e n t s 6 1u s e rm a n a g e m e n ti n t e r f a c eo fa s s e m b l e ds w i t c h 5 8 6 2 m o n i t o r i n gi m e r f a c eo fa s s e m b l e ds w i t c h 5 8 6 3n o r m a lp r o t e c t i o nf u n c t i o ni n t e r f a c eo fa s s e m b l e ds w i t c h 5 9 7 s u m m a r ya n do u t l o o k 6 0 7 1t h e s i sw o r k 6 0 7 2 p r o s p e c t 6 0 r e f e r e n c e 6 ：! c o m p l i m e n t 6 5 r e s a m eo fa u t h o r 6 6 1 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 目前，煤炭是我国能源消费的主要组成部分。迄今为止，煤炭的开采已经拥 有几百年的历史。从过去的单纯靠人力采煤逐步发展到今天的煤炭井下采煤设备 多样化，已发生了翻天覆地的变化，生产能力也得到了巨大的提高，给国民经济 和社会发展带来了巨大的动力和效益j 。 近年来，我国煤炭安全生产事故频发，国家投入了大量的人力物力，以提高 煤矿的综合自动化水平，严防事故的发生。我省两淮新建投产或在建的矿井均建 立了综合自动化系统，对矿井进行数字化建设，以实现数字化矿井，大大提高了 煤矿安全生产水平。为实现矿井的数字化、信息化，具有百兆、千兆带宽的环网 交换机已经分置到井下，实现数据信息的流畅传输。 电气开关是煤矿生产的重要设备。随着计算机技术、数字电子技术、控制理 论、传感器技术、通信技术的发展，这些技术与继电保护技术相结合，使得开关 保护装置得到了长足的进展，其应用范围越来越广，涉及到高、中、低压所有电 压等级，功能也越来越强大。更重要的是装置增加了通讯接口，利用通讯接1 ：3 可 以将各种装置和计算机通过网络连接起来形成一个分布式控制系统，从而实现远 程管理和控制功能。 随着煤炭生产能力的逐步提高，对煤矿井下的电气控制开关设备的需求越来 越大，相应的煤矿井下单体开关也不断增多，给设备的安装、维护和升级组网等 带来了很大的难度，尤其是快速移面：同时，随着煤炭产量的快速增长，对煤矿 安全生产的要求也越来越高，组合开关成为设备集中场合的必然选择【2 j 。目前， 煤矿井下使用的部分组合开关一般采用以单片机( 8 位1 6 位) 和p l c 为核心来 取代常规的以半导体分立元件为核心的控制保护系统，大大提升了组合开关的技 术性能，提高了组合开关的可靠性。但随着高效集约化矿井的涌现和设备自动化 程度的不断提高，用微处理器完成的大量数据、信息的处理以及传输，很难保证 控制保护系统的实时运算能力和实时仿真能力1 3 j 。 为此，本课题设计了嵌入式智能多回路组合开关控制系统，取代当前功能单 一、分散的电气开关。嵌入式技术应用到组合开关控制系统中，为矿用智能丌关 的开发提供了新的动力。将组合开关接入环网交换机，通过环网交换机将开关状 态、参数、运行状态传输到监控中心或地面，进行实时监控，及时发现并处理问 安徽理下大学硕七论文 制的目的。因此，研发大容量移动变电站、多控制回 后一段时期矿用电气开关的发展方向之一，市场应用 的发展现状及存在问题 硬件来看，主要经历了机电式、半导体式和微型计算 5 0 年代以前，我国的矿用开关主要从苏联引进，后来 改进，但是到目前为止，我国大部分使用的矿用开关 列。无论是从技术性能、保护功能还是分断能力来说 于煤矿井下综采技术发展的需求，我国引进了一大批 等国外产品。不但价格非常昂贵，配件周期长，而且 有些国家井下的供电方式与我国不同，进口设备都没能充分发挥其应有的作用， 严重制约着我国煤炭工业的发展，研发适合我国煤矿井下的开关新产品是当务之 急。上世纪9 0 年代初，我国在引进外来技术的基础上，自行研发了矿用隔爆型真 空馈电开关，尽管在保护性能和动作指标上都明显优于机电式保护装置，但由于 其所用元件的分散性，在可靠性和保护性能方面仍不能满足生产实际的需要。 早在上世纪的二三十年代，国外一些采煤技术发达的国家也已先后开展了矿 井电气安全的研究工作。经过几十年的发展，国外在这个领域的研究取得了很大 的进步，智能隔爆型电气设备在煤矿井下得到了广泛的应用。1 9 9 5 年国外防爆开 关实现微机测控的仅有英国a l l e n w e s t 公司等少数几个厂家，到1 9 9 7 年，大部分 国外厂家的馈电开关与磁力起动器均己采用微机测控。例如，英国b r u s h 变压器 公司生产的移动变电站和b a l d w i n & f r a n c i s 公司生产的磁力控制站，均采用微型 计算机作为中央控制单元，实现了漏电、短路、过载、过压等多项保护功能。德 国西门子公司生产的s i p r o t e c 4 系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能， 而且能够提供友好的人机界面1 4 6 j 。 目前，国内开关自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家，国产 的开关已占据了相当市场。但市场上的智能开关，通过精确地检测开关状态及参 数并与设定值进行比较，从而提供比传统热继电器更精确、更可靠、更高级、更 完善的保护。除可实现通常的过载、断相保护外，一般都可实现预警、报警、综 合保护( 多功能保护) 、非电量保护；具有动作灵敏、重复性好、功能可扩展、多 种参数可现场调整、控制功能可现场编程、友好的人机界面、故障记忆与诊断等 功能；适应性强，可根据要求修改软件以适应通用机械用保护器；增加不同的通 2 1 绪论 信接口实现远程编程、参数设定，力图集保护、遥测、通讯、遥控、显示于一体。 但是电气开关间的控制和检测，大都采用的是通过单独的控制电缆进行连接 或自行协议进行数据通讯的方法：一种是采用r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、c a n 总 线等通信方式，符合点对点的数据传输标准，在最低层上的星型拓扑也能够适应 工业现场控制的复杂或大规模应用，造价低，但数据传输率低；另一种是采用l a n 组件及环型或总线拓扑，其系统造价则偏高。这些方法由于自成体系接口不方便， 不利于总体管理。国内的常州联力等几家公司投入生产了组合智能开关，采用的 上述的方法，难以满足现代数字化矿井的建设要求；国外的相关产品开发也做了 大量的工作，经过市场调查，发现产品形式和功能单一，且价格昂贵【卜引。 本课题提出了具有t c p i p 协议进行数据传输的嵌入式组合开关控制系统方 案，具其优良的性价比，可在国内产品中迅速占有一席之地。 1 3 嵌入式系统的发展 嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机道路。近几 年网络、通信等技术的发展为嵌入式系统应用开辟了广阔的新天地。嵌入式系统 是结合微控制器或微处理器系统电路并与其专用的软件，来达到系统运作效率成 本的最优化。 按照历史性、本质性、普遍性的要求，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 应定 义为嵌入到对象体系中的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统” 是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 嵌入式系统从构成上看，嵌入式系统集软、硬件于一体，是可独立工作的计算机 系统；从外观上看，嵌入式系统是一个可编程的“器件”；从功能上看，能对宿主 对象进行控制，是一个“智能”的控制器；从技术上说，嵌入式系统要融于所嵌 入的环境；从系统上说，融入了嵌入式系统的设备将实现更先进的功能。嵌入式 系统涵盖范围和领域极其广泛，几乎包括了所有的电器设备。它一般由嵌入式处 理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统及嵌入式上层应用软件系统等组成，用 以实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。 嵌入式计算机系统与通用计算机系统相比，具有以下的特点： 1 ) 嵌入式系统通常是面向某个特定应用的，具有目的性，c p u 大多工作在 为特定用户群设计的系统中，功耗低、体积小、集成度高，专用性强； 2 ) 嵌入式系统是从单片机逐渐发展过来的，经历了几十年的发展历史，是一 个不断创新的知识集成系统【9 j ： 3 了执行 域都与 为现今 嵌入式 加广阔 随着煤矿现代自动化程度的不断提高，对煤矿井下供电系统的可靠性、安全 性和连续性要求也越来越高。由于煤矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，瓦斯煤 尘积聚、滴水事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低。同时，由于操作人员维护 不当的输电线路的导线断裂等原因，经常会出现漏电及单相接地故障若不及时排 除，电网各相线会运行在线电压下，长期运行将导致绝缘击穿，甚至发生三相或 两相短路事故。单相接地、相间短路故障发生短路时产生的电弧能量会引起瓦斯、 煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产【l l 】。 为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，研究开发具有自 主知识产权的组合开关对提升我国综采设备装备水平具有重要的意义。 希望通过该课题的研究，达到： 1 ) 嵌入式组合开关控制系统取代当前功能单一的电气开关，大大提高管理效 益： 2 ) 减少快速移面带来的不便； 3 ) 嵌入式应用到组合开关控制系统中，将为矿用智能开关的开发提供新的动 力； 4 ) 实现现代数字化矿井的要求； 5 ) 提高集成度以及抗干扰性能； 6 ) 控制系统的漏电保护得到进一步完善。 4 1 绪论 1 5 本文的组织安排 本课题设计的嵌入式智能开关控制系统，必须具有漏电、过载、相不平衡、 短路保护功能和多回路控制功能，以满足综采工作面实现集中控制和远程操作等 要求。 本文的主要组织安排如下： 第一章，介绍了组合开关的课题背景、国内外研究的现状，课题提出及研究 的目的。 第二章，介绍了组合开关的适用范围、正常工作条件；组合开关的基本结构、 工作原理；组合开关的主要用途、功能以及组合开关控制系统的实现方案。 第三章，介绍了智能组合开关的保护算法。分析了分支路漏电保护、漏电保 护的选线判据以及选择性漏电保护算法、反时限保护算法。 第四章，介绍了组合开关的硬件系统。包括人机接口模块电路、温度采集与 实时时钟模块电路、c a n 总线模块电路，r j 4 5 接口模块电路等，完成了硬件电 路板的设计，设计了人机交互界面。 第五章，介绍了组合开关的软件系统。包括嵌入式系统w i n c e 的移植以及通 讯模块、保护模块、显示模块和采样模块应用程序的实现，实现了嵌入式实时系 统的开发和设计。 第六章，介绍了组合开关控制系统的实验与调试。包括组合开关的用户管理 界面，组合开关的监控界面以及组合开关正常运行的保护功能界面。 第七章，归纳了课题研究的创新点以及组合开关在通讯、更高电压等级上等 需作更深入的工作。 安徽理一 大学硕士论文 2 本设计组合开关的特性及控制系统实现方案 2 1 组合开关的概述 2 1 1 组合开关的适用范围 组合开关又称负荷控制中心，是装在一个防爆外壳里的多功能开关，由多个 真空接触器和驱动部分组成。组合开关至少具有一组处于电源与负荷之间的主隔 离开关组及一组辅助隔离开关组，每个主隔离开关组包括主隔离开关、真空接触 器、电流电压互感器和漏电闭锁检测装置，每个辅助隔离开关组包括辅助隔离开 关、电源模块等。 组合开关适用于含有甲烷混合气体，煤矿有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境中， 是为综采工作面多电机、大功率设备设计的组合起动控制装置。在额定电压交流 5 0 h z 、3 3 0 0 v 的供电系统中，对多台三相交流电动机或交流双速电动机进行起动、 停止控制，并能对电动机及供电线路进行保护。组合开关配有1 2 7 v 、2 2 0 v 辅助 电源，供照明和控制使用。 2 1 2 组合开关的正常工作条件 矿用智能组合开关的正常工作使用环境： 1 ) 海拔高度不超过2 0 0 0 m ； 2 ) 周围空气温度为( 5 “o ) ； 3 ) 在+ 2 5 时，周围空气相对湿度不大于9 5 ； 4 ) 在有沼气与煤尘爆炸性混合物的矿井中； 5 ) 无破坏绝缘的气体或蒸汽的环境中； 6 ) 无显著摇动和冲击振动的地方； 7 ) 能防止滴水的地方； 8 ) 与水平面安装倾斜度不超过1 5 。； 9 ) 安装类另q l i i 类、污染等级3 级。 2 1 3 组合开关的主要特性 组合开关的主要特性为： 1 ) 保护功能强大。将d s p 、a r m 9 、c a n 总线和网络化接口化等创新技术， 运用于工作面控制设备，满足集约化要求； 6 j 2 本设计组合开关的特性及控制系统实现方案 2 ) 检误抗扰能力较强。采用系统同步采样，以1 2 8 次周期的采样率，通过 电压电流互感器，能对传感器的输入信号进行修正，整成交流信号，输入到d s p 的a d 通道供其采样； 3 ) 具有自诊断功能； 4 ) 容量大。能确保组合开关的供电的质量和供电的安全性； 5 ) 中文液晶显示组合开关的参数，运行状态； 6 ) 可靠性高： 7 ) 具有接触器、过流、漏电闭锁等试验功能； 8 ) 实现了集中控制。组合开关集保护、控制为一体，实现了集中控制，控制 设备的数量得以减少 1 2 1 3 】。 、 2 2 组合开关的基本结构及工作原理 2 2 1 组合开关的基本结构 本组合开关是专为井下3 3 k v 设备的4 组合开关，其长方形箱体，由钢板焊 接而成，隔爆性能符合g b 3 8 3 6 1 、g b 3 8 3 6 2 的有关规定，本安性能符合g b 3 8 3 6 4 的有关规定。它由四个独立的隔爆箱：接线腔、主腔、隔离开关腔、变压器腔和 输入输出电缆连接器组成。隔爆腔内装有接触器模块，隔爆腔设计为快开门结构， 集成了具有所有监测及保护功能的电子保护模块。隔爆腔右侧是本安接线腔，集 成了显示模块和继电器模块。主要用于控制综采工作面采煤机、破碎机、转载机、 输送机等。组合开关的主要部分作用分述如下： 1 、接线腔 接线腔位于箱体的左前侧，内装有接线端子排。控制回路引入装置安装在接 线腔的侧面，外