CN104734334A - 矿井供电监测监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的矿井供电监测监控装置，其包括：模拟量采集电路、开入开出电路、通信接口电路、存储接口电路、低通滤波电路、人机界面、隔离驱动电路、主控单元、装置电源模块，其特征是：模拟量采集电路将三相交流信息经PT、CT传输到装置接口端子，经隔离变换后转换成实时电信号再经低通滤波电路和数模转换电路传输到微处理单元，可实现模拟信息的采集工作，同时可通过开入开出模块实现对开关状态的实时控制，对不同开关的模拟量的监测是通过通信接口的传输完成的，主要是在传统的“点保护”基础上设置了防供电故障“越级跳闸”的保护算法，同时可在人机界面进行操作。

Description

矿井供电监测监控装置

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种矿井供电监测监控装置。

背景技术

我国自主研发的多种监控系统对改善煤矿安全生产状况起到了积极作用，通过对井下环境参数的分析，为事故发生的可能性提供数据资料，以便于对将要发生的事故采取防范措施；对即将发生的事故及时给予报警，自动实现断电，以避免事故的扩大化；在发生事故时，及时给出逃生路线，为实施救援提供信息。但是很多监控系统在实际应用中存在着很多弊端，由于不同系统的监控相互独立，兼容性差，而且网络化的监控系统由于采用不同的通信和信息交换标准，很难做到信息共享和统一管理。充分利用先进性的信息化手段和工业监控技术，加快矿井机械化、自动化和信息化建设，解决我国煤矿安全生产中的共性、关键性难题，是改善我国煤矿安全状况的重要手段和推动煤矿安全生产工作的有力措施。

因此，该研究针对煤矿监测监控技术中存在的问题，选择煤矿安全自动检测、监控及管理系统作为主要研究内容是非常必要的。采用协议转换机制，可同时传输RS-485以及CAN接口信息，并对不同的串口协议进行统一。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术以其体积小、可靠性高、功耗小等特点获得了广泛的发展空间。

本研究中设计的供电系统监测监控装置就是基于ARM的井下网络智能分站，采用32位处理器LPC2148，并嵌入了实时操作系统μC/OS -II和开放的TCP/IP通信协议。它提高了系统的处理速度，而且具有良好的兼容性。其成果对提高安全检测、监控的自动化、信息化水平，增强煤矿安全调度指挥、管理决策能力具有重要意义。   

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井供电监测监控装置。解决了现有技术中存在的系统兼容性差，通讯协议无法统一，通信接口单一，硬件设计复杂，体积大、可靠性差，功耗大等问题。

本发明的技术方案是矿井供电监测监控装置，其包括：模拟量采集电路、开入开出电路、通信接口电路、存储接口电路、低通滤波电路、人机界面、隔离驱动电路、主控单元、装置电源模块，其特征是：模拟量采集电路将三相交流信息经PT、CT传输到装置接口端子，经隔离变换后转换成合理的电信号再经低通滤波电路和数模转换电路传输到微处理单元，可实现模拟信息的采集工作，同时可通过开入开出模块实现对开关状态的实时控制，对不同开关的模拟量的监测是通过通信接口的传输完成的，最终可在人机界面进行操作。

所述的模拟量采集电路主要是变换器。每块模拟量采集板都由3组电压\电压变换器LCTV52CF和四组电流\电压变换器LCTA51BF组成。电压互感器采用型号TR1176-4C，保护电流互感器采用TR0176-4C，测量电流互感器采用TR0176-4C。

所述的开入电路是将开关的电量信息或者位置信息由继电器传输，所用继电器型号为NC4D－JP，开出电路是对控制量进行操作，所用继电器型号为DSP2a－L2。

所述的逆变电路是三相全桥逆变电路，由六个IRGB20B120UD-EP型号的绝缘栅双极型晶体管组成。

    所述的通信接口电路是与各智能模块信息传输的关键电路，该总线电路由MAX485CSA芯片和2个120Ω组成，为信息准确、稳定，在设计中添加了光电隔离器和瞬态抑制二极管,型号分别为6N137和SMBJ5.0CA。

所述的存储接口电路的核心芯片是铁电存储器AT24C256。

所述的隔离驱动电路是有光电隔离器、电磁吸收器等。主要芯片有6N137、TLP521、TAIYO-DDLCZFBM等。

所述的电源模块型号为VFB1215MP。

所述的主控单元分为任务管理和信息处理两大部分，前者采用芯片ARM7LPC2148，后者采用芯片TMS320F28335。

本发明的有益效果是为了使矿井设备层的电量信息能实时、准确的传输到中枢决策层，汇集不同协议的设备信息，并且在传统保护的基础上增设了防越级跳闸保护功能，本设计在RS-485接口电路中选用双向TVS，型号为SMBJ5.0CA，可在正方方向吸收瞬时大脉冲功率，保护通信信号，同时采用高速光耦合器，有效抑制了信号干扰。 本系统采用ARM7LPC2148与TMS320F28335协同运行，ARM7可实现多任务的管理，DSP28335在处理传统保护的基础上可实现多Agent的防越级跳闸的保护。人机接口模块由TFT1289真彩液晶显示器和4×4按键组成，用来输入和显示系统工作的参数，实现可视化。

附图说明

图1是矿井供电监测监控装置整体控制框图;

图2是矿井供电监测监控装置模拟量采集图;

图3是铁电存储器AT24C256接口电路图;

图4是RS-485总线通信模块;

图5是两种报文帧格式图。

具体实施方式

矿井供电监测监控装置，其包括：模拟量采集电路、开入开出电路、通信接口电路、存储接口电路、低通滤波电路、人机界面、隔离驱动电路、主控单元、装置电源模块，其特征是：模拟量采集电路将三相交流信息经PT、CT传输到装置接口端子，经隔离变换后转换成合理的电信号再经低通滤波电路和数模转换电路传输到微处理单元，可实现模拟信息的采集工作，同时可通过开入开出模块实现对开关状态的实时控制，对不同开关的模拟量的监测是通过通信接口的传输完成的，最终可在人机界面进行操作。

矿井供电监测监控装置整体控制框图和主电路原理图如图1和图2所示。该信息监测装置主要由ARM微控制器、存储器单元、键盘接口、LCD显示模块、通信模块等部分组成，如图1所示。微控制器采用NXP公司的支持实时仿真的ARM7TDMI-S芯片LPC2148，将基于ARM处理器的嵌入式系统应用于矿井监测装置中，具有集成度高、运行速度快、实时性强等特点。LPC2148内部集成了512KBFLASH和32KBRAM,在此外接非易失性铁磁存储器AT24C256，提高了信息安全可靠性。人机交互与液晶显示模块主要实现参数输入和显示界面的人机操作。由于受矿井环境的影响，因此对RS-485总线的硬件设计提出了新的抗干扰措施。

主控单元是基于一个支持嵌入式跟踪32/16位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，有高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟下运行。

在保护算法与数据处理方面，DSP28335具有强大的功能，在进行模拟量采集时，主要有两种，如图2所示：

电压信号采集

三相交流电压信号通过PT取出所需电压信号，而后通过三组LCTV52CF变换成7.07V的电压信号，经低通滤波电路及模数转换电路输入到DSP28335中。

电流信号采集

三相交流电流信号通过CT取出所需电流信号，而后通过四组LCTA51BF变换成7.07V的电压信号（其中三组取三相电流信号变换，一组取零序电流信号变换），经低通滤波电路及模数转换电路输入到DSP28335中。

存储电路如图3，采用的AT24C256铁电存储器作为监测装置的数据缓冲器，应用非易失性存储技术，存储数据断电可保存十年，传输实时性好。铁电存储器有并行接口、SPI(Serial Pheripheral Interface)和I2C(Intel IC Interface )接口三种类型。因I2C总线可扩展行好，电路简洁，故采用该接口的存储器。

人机交互及液晶显示模块采用SSD1289，该模块核心为240RGB×320TFT LCD控制器，显示效果好，满足矿井设备显示要求。人机交互模块采用独立按键与触摸屏兼容模式，按键达到本质安全型要求，触摸屏采用ADS7843接口芯片，ADS7843是一款具有同步串行接口的12位模数转换器，在125kHz吞吐速率和2.7V电压下功耗为750μW，在低功耗设备中应用广泛。

RS485总线通信电路如图4，为了增强通信的抗干扰能力和稳定性，笔者采用了双向TVS，可在正反方向吸收瞬时大脉冲功率，保护通信信号。同时采用高速光耦合器，有效抑制了信号干扰。

矿井设备大都采用整套设备，或者将部分非成套设备进行改造。对于工业RS-485接口，改造方案多按标准MODBUS协议。笔者通过改造监测装置，对不同协议的信息进行监测，准确有效的解决了通信协议不兼容的问题。现对两种协议进行监测，协议一为馈电II通信规约2.0，协议二采用MODBUS RTU，如图5。

上述协议是在实际工程中遇到的两种通信协议，当应用于同一系统中，笔者在嵌入式软件设计中采用协议转换的方式进行处理，有效解决了矿井设备不配套、通信协议不兼容的问题。

   软件设计完成后，采用RS-485转USB对底层驱动程序进行调试。对于报文格式一与报文格式二，设置相应参数。

Claims (9)

1.矿井供电监测监控装置，其包括：模拟量采集电路、低通滤波电路、隔离驱动电路、主控单元、存储接口电路、开入开出电路、装置电源模块、人机界面、通信接口电路，其特征是：模拟量采集电路采集到三相交流电压、电流信号，该信号经低通滤波电路、隔离驱动电路，通过AD转换模块后输入到主控单元，主控单元与存储接口电路经IIC总线实现信息记录，并通过开入开出电路对被控设备进行操作， 装置中所有电路的电源均由电源模块提供，能通过人机界面进行操作，该装置与各设备间通过通信接口电路实现信息共享与命令传输。

2.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的模拟量采集电路由互感器采集三相电压、电流信息，信号经变换器转变成符合要求的电信号，其中电压互感器采用型号TR1176-4C，保护电流互感器采用型号TR0176-4C，测量电流互感器采用型号TR0176-4C，电压\电压变换器采用型号LCTV52CF，电流\电压变换器采用型号LCTA51BF。

3.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的隔离驱动电路是有光电隔离器、电磁吸收器等；主要芯片有6N137、TLP521、TAIYO-DDLCZFBM等。

4.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的主控单元由实现任务管理的ARM7LPC2148芯片和实现信息处理的TMS320F28335芯片两大部分构成。

5.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的的存储接口电路的核心芯片是铁电存储器AT24C256。

6.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的开入开出电路分别是由型号为NC4D－JP的开入继电器和型号为DSP2a－L2的开出继电器与被控设备连接，实现开关状态监视和远程控制功能。

7.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的电源模块型号为VFB1215MP。

8.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的人机界面是由TFT1289真彩液晶显示器和4×4按键组成。

9.根据权利要求1所述的矿井供电监测监控装置，其特征是：所述的通信接口电路是与各智能模块信息传输的关键电路，该接口电路将主控单元的收发端经型号为6N137的隔离器与型号为MAX485CSA的控制芯片相连，再经过型号为SMBJ5.0CA的瞬态抑制二极管与RS-485端口连接。