（电气工程专业论文）煤矿井下电气设备智能保护单元的研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文将电子技术和微机技术应用到煤矿井下电气设备的智能保护中，并 借鉴电力系统微机继电保护的成熟经验，研制了一种集保护、控制、测量、 显示、整定、白诊断及通讯等功能为一体的新型煤矿电气设备智能保护。本 装置具有漏电闭锁、短路、过载、断相、欠压、过压等保护措施，并且采用 液晶显示器对运行情况及故障情况进行显示，还设有故障查询系统和通讯系 统；软件编程采用了模块化结构，便于系统的升级，此外，还研究了智能保 护单元中的抗干扰问题。 关键词：电气设备，智能保护单元， p i c16 f 8 7 7 a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i i nt h i sp a p e r ，b o t he l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n dm i c f o p r o c e s s o rt e c h n i q u ea r e u s e di ni n t e l l i g e n tp r o t e c t i o n d r a w i n go nr i p ee x p e r i e n c eo fm i c r o p r o c e s s o r r e l a yp r o t e c t i o ni np o w e rs y s t e m ，an e wi n t e l l i g e n tp r o t e c t i v eu n i tp r o v i d e d w i t h p r o t e c t i o n ，c o n t r o l ，m e a s u r i n g ，d i s p l a y ，s e t t i n g ，s e l f d i a g n o s i s a n d c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n ds oo nh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed e v i c ea l s oh a v e p r o t e c t i v es t e p so fl e a k a g el o c k i n g ，s h o r t c i r c u i t ，o v e r l o a d ，p h a s e f a i l u r e ， u n d e r v o l t a g e ，o v e r - v o l t a g ea n ds oo n a n di ta l s oc o u l dd i s p l a yo p e r a t i o na n d f a u l tc o m p l e x i o nu s i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n di ta l s oc o u l dh a v et h es y s t e m f o ri n q u i r i n ga b o u tf a u l ta n dc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r ep r o g r a m m i n gh a su s e d m o d u l a r i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nf o ru p g r a d i n ge a s i l y a n da n t i i n t e r f e r e n c eo ft h e p r o t e c t i v ed e v i c eh a sa l s ob e e ns t u d i e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：e l e c t r i c a le q u i p m e n ti n t e l l i g e n tp r o t e c t i v eu n i t p i c16 f 8 7 7 a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 煤矿井下电气设备的电气保护现状 目前煤矿井下电气设备的电气保护主要有过流保护、漏电保护 和接地保护三种类型。煤矿电气设备有矿用一般型高压开关柜、高 压防爆配电装置、移动变电站( 或矿用变压器) 、馈电开关以及磁力 起动器等，其电气保护装置类型多样，功能各异。 矿用一般型高压开关柜主要用于煤矿地面变电所、井下中央变 电所、低瓦斯矿井的井底车场、总进风巷和主要进风巷，其通用的 继电保护装置一般均以电磁感应式为主，整个系统包括继电器、电 流互感器及断路器等几部分，能够实现反时限的过载、定时限的过 流、瞬动短路、失压或欠压保护功能以及漏电保护( 又称为接地保 护) 等功能。这种保护方式的结构简单，并且现场具备一定的维护 能力。但随着技术的进步，这种电气保护方式和保护设备将由电磁 感应式、晶体管式、集成电路式继电器向微处理器式及数字式继电 器方向发展。 目前煤矿井下采区变电所、综采工作面在使用的高压防爆配电 装置主要有p b 系列、b g p 系列等。在使用着的部分油断路器的高 压防爆配电装置，其保护执行机构一般为过流、高压漏电绝缘监视 脱扣器和失压脱扣器等。由于机械弹簧易老化疲劳、保护整定不准 确及经常误动作等，使之操作不便，使用维护困难。而近几年推广 的高压防爆真空配电装置均采用高压真空断路器、综合保护器( 或 电子继电保护单元) 以及电能计量装置等，具有漏电监视、过流、 失压及过压等保护功能，并具备显示电压、电流和故障类型等功能。 煤矿井下低压供电系统的电气保护装置大多是作为插件安装在 开关设备内部，与主回路电器配合完成相应的电气保护功能，当前 广泛使用的k b z 系列真空馈电开关的q j z 系列真空磁力起动器， 它们的保护装置主要有d t 3 电子脱扣保护器、c m o s 电子保护系统 辽宁工程技术大学硕士学位论文 和a b d 8 电机综合保护器三种，其中以a b d 8 电机综合保护器的使 用量最大，这种保护装置具备过载、断相、短路、欠压、失压和漏 电闭锁保护功能。 我国研究开发的多种地面和井下用的高压检漏保护和监视保护 装置的工作原理主要有补偿电流型、电流方向型及功率方向型等。 大多数采用功率方向相敏脉冲比较或相敏绝对值比较原理构成，具 有选择性。其中用于地面和井下中央变电所的多为集中选线型；用 于采区变电所的均包括漏电监视、过载、断相、短路保护的综合保 护装置，并与开关配套使用。国产低压检漏继电器绝大多数为矿用 隔爆型，继电器电路均采用附加直流电源原理进行漏电保护，也有 设计为选择性漏电保护的检漏继电器，总馈电开关的漏电延时电路 仍采用附加直流电源的保护方式；漏电保护及漏电闭锁电路采用集 成式逻辑电路，选择性漏电保护采用零序电流方向原理来实现，即 根据零序电流和零序电压的相位关系来判断故障支路。 1 2 本文问题的提出及研究意义 如上所述，目前煤矿井下使用的配电开关和控制开关在设计和 制造时都设置了短路保护、过载保护、漏电保护和漏电闭锁保护功 能，一些开关还采用了隔爆兼本质安全型防爆措旋，保护装置大都 采用了功能完善的电子电路，基本上能够满足煤矿安全规程的 安全要求。 生产实践表明，煤矿井下电气设备的使用仍然存在着很多的安 全隐患，其中最为严重的是电气设备的保护功能不能充分发挥作用， 其原因主要有以下几个方面：( 1 ) 、煤矿井下环境特殊，电气设备受 危害的因素多，电气设备故障多；( 2 ) 、井下使用的各种开关的控制 电路和保护电路广泛采用电子电路，造成电气设备故障处理、检修 和维护的难度增加，使故障不能及时得到检修处理，造成电气设备 在保护不完善或没有保护的状态下运行；( 3 ) 、电气设备内部电子元 器件增多也使设备自身出现故障的机率增多；( 4 ) 、电气设备使用 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 三 者不按生产厂家的要求操作，把电气设备的保护装置甩掉不用，使 设备在缺少保护的情况下运行，例如：将馈电开关中的故障跳闸线 圈封死，不让其跳闸，或者将磁力起动器中接触器电磁线圈回路的 保护触点短接，使其不能发挥作用；( 5 ) 、煤矿电气设备配件通用 性不高。我国煤矿专用配电开关和控制开关生产厂家很多，而各厂 家都有自己与众不同的设计方案，使设备的结构和电路原理有较大 差异，这样就会造成企业配件储备困难、设备因缺少配件而得不到 修复的现象。 因此，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏 度高、可靠性好、方便实。用的煤矿井下电气设备智能保护单元是解 决国内煤矿井下电气设备电气保护问题的关键。将电子技术微机技 术结合起来应用于煤矿系统中的电机保护领域中，真正的形成机电 一体化的智能保护模式，充分发挥微型计算机的强大的数据处理能 力的多功能、智能化的保护系统，对于减少煤矿井下电气设备的安 全隐患、确保煤矿安全生产具有一定的现实意义。 1 3 本文的主要工作 本文在详细了解目前我国煤矿井下电气设备的电气保护现状及 其智能保护单元需求的基础上，完成了适合我国煤矿井下电气设备 使用的智能保护单元的样机研制工作。 研制的煤矿井下电气设备智能保护单元所具备的主要功能有： a 计量功能 ( 1 )电动机的工作电压u 。 ( 2 )电动机的三相线电流，。、l 、。 ( 3 )电动机绕组侧起动前的绝缘电阻值r 。 b 保护功能 ( 1 )漏电闭锁保护。当主回路对地绝缘电阻降到动作值以下 时，漏电闭锁保护动作，禁止起动。当主回路对地绝缘电阻恢复到 动作值1 5 倍时自动复位，为了防止电机的反电动势，只有漏电闭 辽宁工程技术大学硕士学住论文 一4 锁功能在主回路断开10 秒后才能投入保护。 ( 2 )短路保护。当主回路三相工作电流中任何一相电流大于8 倍额定电流时，起动器短路保护动作。 ( 3 )1 2 倍过载、1 5 倍过载和6 倍过载保护。过载保护动作 后起动器不能自动复位，故障消除后，需按复位按钮起动器才能自 动重新起动，动作倍数及时间见表1 1 。 表1 1过载保护动作指标 项号 i 、ie 动作时间 起动状态 l1 052 h 不动作冷态 21 2 d 、于2 0 1 7 1 j n 或，j 、于115 】s冷态 3 1 5小于3 m i n 或小于17 6s冷态 46 小于i3s 冷态 ( 4 )缺相保护。主回路接通后，主回路三相工作电流中的任何 两相电流连续相差0 5 8 倍以上电流时，在12 0s 内缺相保护动作。 ( 5 )过压、欠压保护。主回路电压工作在0 8 5 1 i5 u e ，超 出1 15 u e 为过压，应立即停止工作，切断电源；低于0 75 u e 为欠 压，应立即停止工作，切断电源。 ( 6 )远控线路短路、断路保护。控制线路应具备短路和断路保护 功能。当远方控制线路发生短路和断路时，应停止工作：但是，此时采用近 控起动，仍能正常工作。 c 故障存储和查询功能 能够对电机发生的漏电、短路、过载、缺相、过压、欠压、远 控线路短路以及远控线路断路进行故障存储，并且存储故障发生时 的故障时间、故障类型以及故障值大小等故障信息，当技术人员需 要对系统进行有针对的检修时可以输入时间进行故障查询。 d 联控功能 ( 1 )任何一个控制单元都能设置成主机和从机。 ( 2 )从机在主机的指令下按顺序启动。 辽宁工程技术大学硕士学位论文! ( 3 )当其中某一台机发生故障时联控系统全部停机并且在每 一台保护单元上都给予显示故障机的号码。并且在故障的那一台控 制单元上显示故障信息和本机号码。 e 液晶显示功能 采用液晶显示器实现运行过程中的电压等级、实时电压、额定 电流、实时三相电流、起动前的绝缘电阻值、控制方式、从机号码 以及系统的工作时间的显示；实现菜单屏在键盘操作下各个设置功 能的显示以及故障查询屏的显示；实现在系统检测到故障时故障信 息的显示。 本文将要完成的工作主要有以下几个方面： a 智能控制单元硬件设计和结构设计。 b 智能控制单元的p c b 印刷电路板的设计。 c 样机的制作和调试。 d 软件的编写和调试。 e 系统的抗干扰设计。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 智能保护单元的硬件电路设计 6 2 1 智能保护单元的总体结构设计 煤矿井下电气设备智能保护单元的工作原理是，首先将检测的电信号分 别经电压变送器和电流变送器，变成0 1 v 的电压信号，再经测量放大器 放大成o 5 v 的电压信号，送至c p u ，由c p u 内a d 转换器将其变成数字 信号后，c p u 随即进行相应的计算和处理，计量数据经过总线缓冲驱动器显 示在液晶屏上，c p u 在对保护数据进行相应的逻辑判断后，通过总线缓冲驱 动器对继电器直接操作或者发出闭锁信号。c p u 定期对开关量输入状态、开 关量工作状态及键盘、保护接口进行扫描和检测，完成对保护对象的状态监 测和人机交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性r a m 中，c p u 通过 串口电路向调度中心发送数据或接收指令，复位电路能使系统自动复位。 由于单片机具有性能高、速度快、价格低、体积小、稳定可靠、使用方 便灵活等优点，因而常常被用在智能监控装置( 仪器) 控制中。由于智能保 护单元必须在系统发生故障时及时判断出故障点并能及时切断故障 电流；在系统正常工作时，控制单元必须有能力及时处理大量实时 动态数据，因此智能保护单元对硬件c p u 的实时性、快速性、准确 性和多功能性要求很高，为此在硬件设计时选用了实时性和快速性 都非常好的p ic 16 f 8 77 a 单片机作为中央处理器。 基于单片机p i c l 6 f 8 7 7 a 的智能保护单元的硬件总体结构框图如图2 1 所示。由图可见，它主要由以下几个功能模块组成： a 由c p u 、时钟电路和复位电路组成c p u 最小工作系统。 b 由电流互感器、电压互感器、电流变送器、电压变送器、 模拟开关、放大器以及c p u 的a d 转换模块组成数据采集模块。 c 12 路开关量输入和3 路开关量输出组成i 0 功能模块。 d 由4 4 键盘和液晶显示组成的人机对话模块。 e 由漏电闭锁模块、通信模块、联控模块、故障存储模块、 实时时钟模块以及电源模块构成的智能保护单元的功能电路模块。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 1 智能保护单元硬件总体结构框图 7 2 2c p u 最小工作系统的设计 c p u 最小工作系统由p ic 16 f 8 77 a 单片机芯片、复位电路和晶振 电路组成。c p u 最小工作系统是整个控制单元的核心，它将经过h d 转换后的模拟信号，以及各类开关量信号送给c p u ，c p u 依据定的 算法和逻辑判断进行各种实时的处理，并生成和传送相应的控制命 令和各种信息，对异常的情况迅速的做出反应，并且及时准确的分 断电路并发出报警信号。 2 2 1p i c l6 8 f 8 7 7 h 简介 p i c l 6 f 8 7 7 a 是美国微芯公司所生产的单片机，具有以下一些优点： a 快速的数据处理能力 在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的，即分时复 辽宁工程技术大学硕士学位论文一 ! 用的，而p i c 单片机采用了“哈佛总线结构”，就是在芯片内部将数 据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样做的好处是便 于指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指 令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而 有利于提高c p u 执行指令的速度。在本设计中采用4 m h z 的晶振，每 一条指令的执行速度只有1 us ，因此它具有快速的数据处理能力。 b 精简高效的指令系统 p i c l6 f 8 7 7 a 单片机的指令系统只有3 5 条指令。这给程序的编 写、阅读、调试、修改、交流带来了极大的便利。而m c s 一5 1 单片机 的指令系统共有111 条指令；m e 6 8 h c 0 5 单片机的指令系统共有8 9 条指令。p i c 系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大 多数的指令为单周期指令，以利于提高执行速度。 c 较低的功耗 p i c 系列单片机的功耗极低，是目前世界上功耗最低的单片机 品种之一。其中p i c 16 f 8 7 7 a 单片机在4 m h z 时钟下工作时耗电不超 过2 m a ，在睡眠模式下耗电可以降到1u a 以下。 d 较强的驱动能力 i 0 端口驱动负载的能力较强，每个i o 引脚吸入和输出电流 的最大值可分别达到25 m a 和2 0 m a ，能够直接驱动发光二极管l e d 、 光电耦合器或者微型继电器等。 e 简单的寻址方式 寻址方式就是寻找操作数的方法。p i c 系列单片机只有4 种寻 址方式，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比 较容易记忆和操作。而m c s 一5 1 系列单片机则为7 种寻址方式， 6 8 h c 0 5 单片机为6 种。 f 功能强大的内置模块 p i c l6 f 8 77 a 单片机具备i2 c 和s p i 串行总线端口。i2 c ( in te ri cb us ， 可以记为i i c ) 和s p i ( s e r i lp e r ip h o r a li n te r f a ce ) 分别为p h i l ip 公司和m o t o r o l a 公司发明的两种串行总线技术，是在芯片之间实现 辽宁工程技术大学硕士学位论文! 同步数据传输的技术。串行接1 3 和串行总线的设置，不仅大大的简 化了单片机应用系统的结构，而且还极易形成产品电路的模块化结 构。目前，松下、日立、索尼、夏普、长虹等公司，都在其大屏幕 彩电等产品中引入了i2 c 技术。在本设计中使用i2 c 总线协议进行 故障存储操作。 2 2 2 复位电路设计 p i c l 6 f 8 7 7 a 的复位可以归纳成四类：人工复位、上电复位、看门狗复 位、欠压复位。本设计所采用的复位电路原理图如下图2 2 所示： 图2 2 手动复位电路原理图 如图2 2 所示，手动复位电路由电阻r i 、r 2 及复位按钮组成。其作用： ( 1 ) 上电复位功能。在复位按钮未被按下时，给单片机加电，当v c c 上升到 规定值1 6 1 8 v 时，就会产生一个复位信号，需经7 2 m s + 1 0 2 4 个时钟周 期的延时，才会使单片机复位。此时电阻r i 、r 2 对于引脚内部电路起到保 护作用。( 2 ) 人工复位功能。无论是单片机在预定的正常顺序运行程序，还 是出现单片机进入不可预知的某一个死循环( 形成死机现象) ，都认为单片机 在执行程序。单片机在执行程序期间，只要在人工复位端加入一个低电平信 号，就会令其复位。当按钮按下时，在复位端就会产生一个低电平的复位信 号。 另外，c p u 还集成了自复位电路w d t ( 也称看门狗电路) ，该电 路是为了防止程序受干扰后跑飞而设计的，需与软件配合实现系统 的自复位。实质上看门狗是一个自己拥有独立的r c 时钟信号源、计 时周期1 8 m s 也可通过改变分频器的分频比来调整复位时间其选择 的范围从18 23 0 4 m s ，因为当分频比选为l ：l2 8 时，计时周期就 为 l8 m s 12 8 = 23 0 4 i ns 。计时时间到系统自动复位使程序跳出死循 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一 旦 环从头开始运行。 2 2 3 晶振电路设计 晶振电路作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片内部各个 部分电路的工作提供系统时钟信号，也为单片机与其他外接芯片之间的通信 以及与其他数字系统或者计算机系统之间通信，提供可靠的同步时钟信号。 p i c 单片机设计了4 种类型的时基振荡方式：( 1 ) 标准的晶体振荡器陶 瓷谐振器振荡方式x t ；( 2 ) 高频的晶体振荡器陶瓷谐振器振荡方式h s ( 4 m h z ) 以上；( 3 ) 低频的晶体振荡器陶瓷谐振器振荡方式l p ( 3 2 7 6 8 k h z ) ；( 4 ) 外 接电容元件的阻容振荡方式r c 。 图2 - 3 给出了最常用的x t 模式和r c 模式两种振荡器所需的外接电路。 其中r c 振荡器需外接一条阻容支路，来构成一个自激多谐振荡器。如图 2 3 ( a ) 所示。当电阻r 和电容c 分别取值4 7 ko 和2 2 p f 时，振荡器频率约 为4 m h z 。x t 模式振荡器需要外接一个石英晶体和两个电容，共同构成的一 个自激多谐振荡器，如图2 3 ( b ) 所示，其工作频率取决于晶体的固有频率。 当石英晶体为4 m h z 时，电容c 1 和c 2 均选为1 5 p f 。 ( a ) 接r c ( b ) 接晶体 图2 - 3 常用振荡器外接电路 考虑到通信时的波特率的设置和相对误差值，所以在本设计中选用能产 生较精确时钟的晶体振荡器( x t - 4 m h z ) ，其电路原理图如图2 - 4 所示。 r 、 l 阡i c l l 丽部电路 【芒刍 l 【卜 x t a l 陟1 j 内部电路 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 4 晶振电路原理图 2 2 4 串行编程端口电路设计 对于p i c 系列中的任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费软件综 合开发环境，实现程序编写和模拟仿真，再用任意一种廉价的烧写器完成程 序的固化烧写，便形成一套最经济实用的开发系统。 利用m ic r o c h ip 的在线串行编程技术可以对p i c 的f l a s h 程序 存储器进行在线串行编程时需要占用芯片1 引脚肘r v p p 作为低 电压编程输入端，3 9 引脚r b 6 p g c 为串行编程时钟输入端和4 0 引 脚r b 7 p g d 为串行编程数据输入端，除以上3 个引脚外还有电源的 两个引脚，因此m p l a b - i c d 在线调试接口为一个5 针接口，它可以 使用m p l a b i c d 在线调试器方便地对完成的产品进行现场在线调试 和程序烧写操作，十分方便。 2 3 模拟量的信号采集模块 煤矿井下电气设备智能保护单元中需要采集的模拟信号有a 相电流信 号、b 相电流信号、c 相电流信号、电压信号、绝缘检测信号、远控信号和 甲烷检测信号，这些信号经多路模拟开关c d 4 0 5 1 选通后，经测量放大器 a d 6 2 0 进行放大后进入p i c l 6 f 8 7 7 a 的a d 转换器。 图2 - 5 智能保护单元的模拟量信号采集电路 辽宁工程技术大学硕士学位论文旦 c d 4 0 5 l 芯片是通过a 、b 、c 的控制来选通8 路模拟信号，如图2 5 所 示c d 4 0 5 l 的a 、b 、c 分别与p i c l 6 f 8 7 7 a 的r a l 、r a 2 、r a 3 相连，通过 这三个i o 口电平状态的改变来选通这7 路信号，这7 路信号从i 0 0 i 0 6 分别对应a 相电流信号、b 相电流信号、c 相电流信号、电压信号、绝缘检 测信号、远控信号和甲烷检测信号。这七路信号均为0 1 v 的模拟电压信 号，经过c d 4 0 5 1 选通以后，在送至a d 6 2 0 进行放大处理，a d 6 2 0 的增益 由第1 和第8 引脚间的电阻决定，我们选择电阻为1 2 3 5 千欧，使其增益为 5 倍，这样就把o 1 v 的电压信号放大5 倍成为o 5 v 的电压信号，然后送 入单片机的a d 转换器中进行a d 转换。 该测控系统对模拟信号的采样处理采用p i c l6 f 8 7 7 a 自带的a d 转换器，它是一个逐次逼近的10 位a d 转换器。它由一个8 通道的 模拟多路转换开关、一个采样保持电路、一个10 位逐次逼近型a d 转换器、a d 命令寄存器、a d 结果寄存器和控制逻辑等组成。其转 换速度较快，并且转换时间和采样速度可以调节，分辨率也能满足 精度的要求。它的精度为5 0 0 0 2 ”一1 z5 m y ，只要有5 m y 电压它的a d c 模块 就能识别，转换结果为1 0 位2 进制数。p i c l 6 f 8 7 7 a 的a d 转换精度为1 0 位，这样就把o 5 v 的电压信号转换为1 0 位的二进制数值，转换完成后要 对数据进行滤波处理，最后存入指定的缓冲区内。 2 4 开关量的输入输出模块 智能保护单元的开关量输入输出模块硬件电路如图2 6 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a 图2 6 开关输入输出模块硬件电路 开关量输入包括近控、远控选择、工作电压等级选择、单机 联控选择、近起、急停、主回路返回、检漏回路返回和复位等，考 虑到输入开关量对系统的干扰，所有的输入开关量均经过光电隔离后与8 2 5 5 相连；开关量输出则经过达林顿管与中间继电器相连，形成跳合闸控制电路， 跳合闸电路的任务是驱动真空接触器线圈的整流桥，控制真空接触器 线圈的中间继电器，控制整流桥桥臂的中间继电器。 近起按钮按下时，将在8 2 55 ( 1 ) 的p b o 口产生低电平，如果这 个信号被处理器检测且满足合闸条件，真空接触器将会合闸；近停 按钮按下时，将在8 255 ( 1 ) 的p b 1i u 产生低电平，如果这个信号被 处理器检测且满足分闸条件，真空接触器将会分闸；主回路返回信 号是由真空接触器的一个常开辅助触点产生的，当接触器处于分闸 状态时，p b 3 口为高电平，反之为低电平，从而处理器可以检测到 真空接触器的实际状态。 真空接触器的线圈是直流驱动的，实验测试表明，真空接触器 从分闸状态到合闸状态，需要克服较大的静摩擦阻力，需要约为2 a 的电流，当处于合闸状态时，只需约0 7 5 a 的电流即可维持开关的 合闸状态，因此以较大的电流使真空接触器快速可靠地吸合，再以 较小的电流使真空接触器可靠维持吸合状态，可减少线圈发热老化， 辽宁工程技术大学硕士学位论文旦 延长真空接触器的使用寿命。故本控制单元对真空接触器的控制方 式为全波起动半波维持。即合闸时把主变压器二次3 6 v a c 先经全波 整流，产生约为4 2 v d c ，加到真空接触器的驱动线圈，使真空接触器 合闸；经过3s 后，把一个桥臂断开，全波整流变成半波整流，用于 维持接触器的吸合状态，电路如图2 7 所示： j 专二，。 】 m - d 2 3 一3 6 v l j 畏。刊吒：。 图2 7 接触器线圈整流桥电路 在图2 7 中，控制真空接触器线圈的通断，要通过其中间继电 器k m l 来完成。k m l 可以由处理器经过输出驱动来控制，除了k m l 外，真空接触器线圈的通断还受到漏电检测中间继电器k m 2 的控 制，因为漏电检测只能在真空接触器分闸的状态下投入，在真空接 触器合闸后必须断开；真空接触器也只能在漏电检测完成后才能合 闸，漏电检测投入时，真空接触器不能合闸，否则高压将会入侵到 控制单元，烧坏设备，因此k m l 和k m 2 构成互锁关系。同时我们 用一个中间继电器控制整流桥桥臂的通断，从而实现整流桥的全波 整流和半波整流的切换。该继电器同样可以由处理器经过输出驱动 来控制。 2 5 人机交互电路模块 人机交互电路模块的作用是为了让人能和基于单片机的数据采集系统 进行简单的“交流”。对于本文的煤矿井下电气设备智能保护单元而言，就 是让人知道智能保护单元某些端口或器件的工作状态，同时还能人为干预系 统的工作方式。 人机交互电路模块包括4 x4 键盘电路和o c m j 4 x8 b 一2 液晶显示电路 模块。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 5 14 4 键盘电路的设计 本智能保护单元采用矩阵式键盘，它可以进行主机从机选择、 额定电流设定、时间设定及故障查询等。将其安装在外壳的控制面 板上，直接进行液晶显示部分操作。 4 4 键盘的按键包括菜单键、返回键、键、v 键、确定键、清除键以 及1 0 个数字键( 即数字o 9 ) 。键盘的行线和列线接在8 2 5 5 ( i ) 的c 口， 这样就可以不占用处理器的引脚资源，也不需要专用的键盘接口芯 片，就可以用行列扫描的方式对键盘编码。键盘由8 2 5 5 ( i ) 的c 口控制， 高四位设定为输入，低四位设定为输出，p c ? p c 4 定义为行码，p c 3 p c o 定义为列码，只要键盘有任何一个按键按下，有且只有一条行线和一 条列线接通。键盘模块的硬件电路图及外观图分别如图2 - 8 、图2 - 9 所示。 图2 - 84 4 键盘模块的硬件电路原理图 图2 94 4 键盘的外观图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 堑 2 5 2o c m j 液晶显示电路的设计 液晶显示器件与c p u 的连接方式有两种，一种是直接访问方式， 另一种是间接访问方式。直接访问方式就是将液晶显示器件的接口 作为i 0 设备直接挂在c p u 总线上，c p u 以访问i 0 设备的方式操 作液晶显示模块的工作。间接访问方式是c p u 通过扩展的并行接口 与液晶显示器件连接。 本文研制的智能保护单元采用8 25 5 a 芯片间接访问方式，c p u 可以通过对8 2 55 a 的操作以达到对液晶显示模块的控制，这种接法 电路简单，控制时序可以通过软件来实现，另外用8 25 5 a 扩展可以 增加端口，供其它功能使用。图2 10 给出了p i c l6 f 8 7 7 a 单片机与 o c m j 4 8 b 一2 显示器的硬件连接电路。 图2 10 液晶显示模块与单片机的硬件连接电路 由图2 10 可知，0 c m j 4 8 b 一2 液晶显示电路以o c i j 4 8 b 一2 液晶 显示模块为核心，它自带中文字库，可以每行最多可以显示8 个汉 字，可显示4 行，而且具有数据保持功能，即调用汉字数据后，如 果不再进行数据传送，以前显示的数据可以保持，这将可以省去动 态刷新屏幕的工作。8 2 55 a 选择工作方式0 ，其b 与液晶显示控制器 的数据总线相连，0 c m j 4 8 b 一2 显示器的b u s y 与p i c 16 f 877 a 的r bl 口相连接，o c m j 4 x 8 b 一2 显示器的r e q 与p i c l 6 f 877 a 的r b 2 口相连 接。由于p i c 系列单片机的i o 端口具有方向选择和读写选择控制 辽宁工程技术大学硕士学位论文 寄存器，就可以方便的用软件对液晶显示模块进行控制。 1 7 2 6 功能电路模块的设计 由漏电闭锁模块、通信模块、联控模块、故障存储模块、实时 时钟模块以及电源模块构成了智能保护单元的功能电路模块。 2 6 1 漏电闭锁模块的设计 漏电闭锁模块主要是对绝缘电阻的检测，就是在真空接触器吸 合之前或断开之后对电机绕组部分电缆进行绝缘检测，如果检测到 绝缘电阻值低于动作值，那么漏电闭锁保护动作，禁止启动并发出 报警信号，液晶显示屏给予显示漏电故障以及漏电绝缘电阻值，当 主回路的绝缘电阻恢复到动作值的1 5 倍时，自动恢复漏电闭锁保 护，此时允许真空接触器合闸。当处于主回路刚刚断开后的状态时， 漏电闭锁保护要在延时l0 秒以后投入。当启动前没有漏电故障时， 系统正常启动并且真空接触器吸合以后漏电闭锁保护就不投入了， 此时的漏电保护功能应该由上一级的馈电开关来完成。 图2 1i 绝缘检测等效电路 漏电闭锁保护采用附加直流源的原理进行信号采集。如图2 - 1 l 所示，采用2 4 v 直流电源通过电机的三相绕阻与大地之间形成回路， 如果线路对地的绝缘电阻发生了变化，那么采样点电压就产生相应 的变化，通过这种方法就能实时检测电机部分对地的绝缘电阻，在 检测线路上串联一个真空接触器的常闭触点，在真空接触器的线圈 上串联一个检漏输出的常闭触点，这样就实现了闭锁功能。r 。为等 效系统对地绝缘电阻，通过电位器r ，( rv = 5 0 k + r y = 6 0 k ) 将虮的电压 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 转换为0 1 v 的电压信号，从而进入处理器进行相应的查表处理。 我们可以得到v s 和r ，的关系式： 酬等+ 等炉z 4 ( 2 _ 1 ) 通过转换得到r x 的函数 r ，： 鱼生坠 ( 2 2 ) “ 2 4 r r 一( q - r r ) u s 在图2 1 4 中采用两个二极管进行钳位是为了防止电压过高烧毁处 理器，不过二极管存在非线性导通问题，当两端电压接近导通电压 时它就成为了一个非线性电阻，如果线路上的其它电阻阻值与二极 管的电阻值接近时，它的非线性电阻就会对绝缘检测产生影响，因 此为了躲过二极管的非线性导通区，通过实验将电位器调整到绝缘 良好时，采样电压为0 8 v ，即绝缘良好时如为无穷大。经过风和墨 分压u 。为1 8 v ，调整电位器彤的中间抽头电压为0 8 v ，调整完毕后 当r ，发生变化时采样点的电压u 也会随之改变，不过最大值也超过 不了0 8 v 。 2 6 2 通信模块的设计 本设计通信模块选用可远距离传输数据的r s 4 8 5 ，通过r s 4 8 5 将现场 参数送往矿局域网，网内用户可以在任意时刻浏览电气设备的运行情况。 通信的基本方式分为并行通信和串行通信。并行通信的优点是传输速度 快，缺点是需要同时连接的线数多，尤其是在通信距离较长时传输线的成本 会急剧增加。串行通信的缺点是传送速度较慢，突出的优点是仅仅需要数量 很少的传输线，特别适合远距离传输。且对单片机而言，串行通信需要占用 的引脚资源较少。在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中， 经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。所以本设计采用了 r s 4 8 5 串行通信方式。 r s 4 8 5 串行通信方式遵循r s 4 8 5 通信接口标准：a r s - 4 8 5 的电气 特性：逻辑”1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑”0 ”以两线间的 辽宁工程技术大学硕士学位论文旦 电压差为一( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 降低了，不易损坏接 口电路的芯片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接； b r s 一4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s ；c r s 一4 8 5 接口是采用平衡驱动器 和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；d r s 一4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米，在总线上是 允许连接多达1 2 8 个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的 r s 一4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 图2 1 2m a x 4 8 5 内部结构图和通信原理图 r s 4 8 5 接口连接器采用d b - 9 的9 芯插头座，m a x 4 8 5 传输方式采用差动 方式，m a x 4 8 5 的内部结构图和传输原理图如图2 1 2 所示。 因为m a x 4 8 5 采用两线制，通过它的信号被传送出去时会先分成正负 的两条线路，当到达接受方后，再将信号相减还原成原来的信号。所以它的 输入与输出信号所经过的线路相同，这就决定了它的通信方式只能是半双工 的。在用m a x 4 8 5 进行通信时，应该仔细考虑如何控制它何时收发，是属 于接收还是发送信号，然后只要对m a x 4 8 5 的d e 和r e 管脚进行控制就行 了，p i c l 6 f 8 7 7 a 与m a x 4 8 5 的连接原理图如图2 1 3 所示。 图2 1 3p i c l 6 f 8 7 7 a 与m a x 4 8 5 的连接原理图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 6 3 联控模块的设计 联控是实现智能控制单元网络化的重要手段之一，本文研制的保 护单元设置了联控功能，当系统被设置成联控模式以后，任何一台保护 单元都可以在菜单中设置成主机或从机，但是整个系统中只能有一台 主机，其它从机在主机的控制下联网运行，并且采用延时使从机按先 后顺序起动，延时时间在( o 9 9 s ) 内随意设置。图2 1 4 为二台保护单元 进行联控时的原理图。 上位机5 v 上位机o u t 6 下位机5 v 下位机o u t 7 图2 - 1 4 联控原理图 联控方式采用环型接线方式，每个控制单元的联控接口包括上 位机接口和下位机接口两部分，下面以三机联控为例说明联控接线 方式，如图2 15 所示。通过设置后机延时时间，可实现从机顺序起 动，联控系统由主机控制起动和停止，但联控系统的每台机仍然可 以单独起动和停止。联控系统任何一台机发生故障，系统实现停机， 故障机本身显示并记录故障信息，联控系统其他机器只显示故障机 的编号，不作记录。联控系统发生故障后，必须先排除故障，并使 每台机都复位后才能重新运行。 图2 15 联控接线图 本设计用频率来对应各种联控命令，联控系统的信息传送是通过一 辽宁工程技术大学硕士学位论文型 定频率的脉冲来实现的，每个从机号和控制命令都对应着相应的频 率的脉冲，某台机要向下位机发送命令或从机号时只须发送相应频 率的脉冲即可。下位机接收后进行解码，就可以识别上位机的命令。 光耦电路是接收下位机或上位机脉冲和接收下位机合闸信号的。而 u l n 2 0 03 的0 u t 7 和o u t 6 是用于发送脉冲的。联控通信的频率对 应见表2 1 。 表2 1 联控通信的频率 从机号 4 ms 的脉冲 半周期时间频率理论值频率实际值 数( 个) ( u s )( k h z )( k h z ) o21 0 0 00 5o 50 08 145 0 011 o o l 2633 3 1 5 1 5 0 7 3825 022 o l6 4l02 0 02 52 5 0 l 5 l2 l6 632 9 9 5 6l41 4 33 53 4 9 2 7 161 2 543 9 9 6 8l81 l l 4 5 4 5 4 2 92 010 055 0 9 7 起动信号36 670 7 5o 75 18 2 6 4 故障存储模块的设计 故障存储模块采用铁电存储器f m 2 4 c 6 4 芯片，它是一种非易失 性记忆体，它的逻辑结构为8 192 8 位，接口方式为工业标准i2 c 接口。 铁电存储器具有持久保存数据的能力和存储快速性的优点，存 储的数据可以保存在l0 年以上，普通的e e p r o m 的存储速度在毫秒 级而铁电存储器f r a m 存储速度在微秒级，噪声和电源波动环境写数 据对e e p r o m 来说极具挑战性，而f r a m 写的速度非常快，噪声和电 源波动还来不及干扰就已经存储完毕了。 因此利用铁存储器的上述优点，在设计中对发生的各种电压、 电流以及漏电故障进行高效、快速、准确的存储，通过软件设计的 查询算法用户可以方便的对历史故障信息进行查询，对设备的维护 提供了可靠的依据。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 6 5 实时实钟模块的设计 实时时钟模块电路以h t l3 8 0 时钟芯片为核心，包括晶振电路， 带掉电保护的电源电路和串行数据通信电路，如图2 1 6 所示。 图2 - 1 6实时时钟模块电路 实时时钟采用h t i 3 8 0 芯片，它是h o l t e k 公司推出的一款带秒、分、时、 日、星期、月、年的串行时钟保持芯片，每个月多少天以及闰年能自动调节， h t l 3 8 0 具有低功耗工作方式并用若干寄存器存储对应信息，一个3 2 7 6 8 k h z 的晶振校准时钟，为了使用最少引脚，h t l 3 8 0 使用一个i o 口与微信息处 理机相连，仅使用三根引线( i ) r s t 复位；( 2 ) s c l k 串行时钟；( 3 ) i o 口数 据就可以传送i 字节或8 字节的字符组。因而，h t l 3 8 0 是一种性价比极高 的时钟芯片，它可以为系统提供准确的时间信息。 h t l3 8 0 的掉电保护电路包括d i ，d 2 ，d 3 三个二极管，稳压电 容，以及供电电池。正常电网上电时，开关电源+ 5 v 经过d 1 后加到 h t i3 8 0 的v c c ，此时v c c 4 3 v ，d 2 ，d 3 关断，即电池不供电；当电 网断电时，电容放电，h tl3 8 0 的v c c 的电位下降，降到一定程度， d 2 ，d 3 导通，电池向h t13 80 供电，保证时间数据不丢失。此时，d 1 反向截止，电池只对h t13 8 0 供电，延长电池使用时间。 通过软件设计可以方便实现对时间的记录功能，在菜单中可以 方便的实现时间的设置，并且时间设置一次就可以长时间准确的运 行，平时在运行屏上观测到时间的实时显示，另外时间还可以作为 故障查询的基准，因此时间模块在智能控制单元中是十分重要的组 成部分。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 箜 2 6 6 电源模块的设计 智能保护单元的电源电路包括电网供电电路和电池供电电路。 这两种供电方式可以由拨档开关进行切换。当电网上电运行时，应 采用电网供电方式，此时控制单元由中继开关电源供电；当系统停止 运行，要求对系统参数进行整定的时候，按照煤矿安全操作规程，在井 下不允许带电打开隔爆外壳，这就要把供电方式切换成电池供电， 此时控制单元由外置的蓄电池供电。为防止蓄电池电极短路，蓄电 池电极密封，并且在近极端串接了2 0 0 m a 的快速熔断丝，可以有效 防止蓄电池电极短路产生事故。 蓄电池 图2 1 7 电池供电电路图 电池供电电路如图2 17 所示。l2 v 的蓄电池经过7 8 0 5 后产生 一个稳定的+ 5 v 电压，当供电方式切换成电池供电方式时，双路拨 档开关s 1 将同时产生一个电池供电方式返回信号，这个信号使系 统识别当前为电池供电方式，从而关闭不必要的服务程序，如禁止 合分闸操作等，只允许键盘和显示操作，从而确保完成参数整定。 2 7 本章小结 本章根据智能保护单元各保护功能的要求，设计了煤矿井下电 气设备的智能保护单元的硬件电路，分别设计了保护单元微处理器 的最小工作系统、模拟量信号采集电路、开关量的输入输出电路、 人机交互电路模块以及漏电闭锁等功能电路模块，详细阐述了硬件 电路的工作原理，并且对所设计的硬件电路进行了实验室模拟实验， 均能达到设计