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基于ARM9嵌入式系統的礦用組合開關研究

發布時間:2010/1/11

【摘 要】針對目前礦用電氣開關的使用現狀,結合嵌入式技術、工業以太網技術,設計了礦用隔爆型組合開關控制系統。應用具有先進嵌入式技術的ARM9芯片和TMS320LF2806芯片來實現系統的控制,文章介紹了該系統的軟、硬件設計以及相關的實現方案與算法,系統的實現提高了礦用組合開關的保護和控制水平。
【關鍵詞】嵌入式系統;工業以太網;組合開關

  隨著煤礦生產能力的提高,井下機電設備需要越來越多的電氣控制開關。煤礦井下單體開關的不斷增多給設備安裝、維護和升級組網等帶來一定的難度,特別是在采煤綜采工作面,給快速移面帶來了不便。研究高性能的礦用組合開關系統具有重要的現實意義和重大的經濟價值。
  本項目結合嵌入式技術、工業以太網技術、傳感器技術以及自動控制原理,設計礦用隔爆型組合開關控制系統。采用具有TCP/IP協議進行數據傳輸的嵌入式組合開關控制系統取代當前功能單一的電氣開關,實現分散管理,遠程控制,大大提高生產管理效益,具有優良的性價比。

1、ARM嵌入系統

  針對目前礦用電氣開關的使用現狀與煤礦安全的要求,將具有最先進嵌入式技術的ARM9芯片應用于智能開關,并使用CAN及TCP/IP兩種網絡協議分別進行通信;建立友好的人機界面,便于顯示與操作;實現新的保護原理,實現準確可靠的保護;采用光纖傳輸,提高抗干擾性和通信距離。系統分為兩個部分:
  1)系統主控部分。采用三星公司的$3C2410型ARM9芯片和TMS320LF2806芯片,擴展相應的外圍電路,集測量、保護、控制、通訊、記錄和顯示等功能于一體,系統具有圖形顯示界面,可顯示各分控部分運行狀態及故障波形圖形,能同時起?刂贫嗯_三相交流設備;設計光口和電口電路,采用工業以太網實現遠距離程控及數據傳輸;能用于照明或控制電源的配電,能適應煤礦開關設備組合化、網絡化的發展需要,具有較高的性價比,在已有的生產設備的基礎上,加以監控裝置的軟、硬件設計;采用CAN總線協議與分控部分通信,接收各部分運行及故障參數,發送保護設定值;可現場或遠程設定保護值;采用電纜或光纜作為網絡傳輸媒介。系統硬件結構主控部分如圖1所示。

                 圖1 系統主控部分結構圖

  2)系統分控部分。對現場設備運行狀態進行在線監控,采集運行參數、運行狀態,采用新的軟件算法進行故障保護;通過CAN總線接口,與主控通信,將采樣節點狀態及參數傳輸到主控,并接收主控的指令;本項目采用TMS320LF2806型DSP芯片,具有16路12位高速AD采集口,可滿足實時性及準確性的要求?筛鶕F場需要,自由配置分控的數目及選擇運行方式。系統硬件結構分控部分如圖2所示。

              圖2 系統分控部分結構圖

2 、系統主要技術分析

  組合開關采用嵌入式ARM9芯片,CAN現場總線技術、全數字化處理技術、自適應檢測技術等。適合煤礦井下交流50Hz電壓3300V供電系統。CAN現場總線信號傳輸采用短幀結構,傳輸時間短,并有CRC校驗及其它檢錯措施,出錯率極低。CAN總線結構簡單,設備的連線和信號的往返傳輸次數減少,提高了系統的可靠性。
  2.1 組合開關具有的關鍵技術
  1)全數字化處理、控制、保護、液晶中文顯示、故障診斷和網絡連接,本開關采用具有先進嵌入式技術的ARM9芯片、CAN現場總線技術和使用TCP/IP網絡協議進行通信等,控制程序化、多樣化,滿足煤礦現代化生產需求。
  2)采用系統同步采樣,以128次/周期的采樣率,直接采集信號處理模塊的交流信號,經過自適應濾波和量化處理,消除干擾。能對采樣傳感器的輸入信號進行修正,具有較強的檢誤抗擾能力。
  3)具有自診斷功能。系統采用集散型分布控制處理結構,每個模塊均有自診斷功能和通過局域網實現互診斷功能,同時處理模塊采用故障安全措施,確?刂频陌踩,并具有故障原因長期記憶查詢功能。
  4)大容量組合式結構。大容量、開斷能力強的真空開關的選用,確保了組合開關的供電質量和供電的安全性。
  2.2 智能開關保護算法的建立
  系統對過壓、過流、欠壓、漏電、漏電閉鎖、短路、斷相、三相電壓不平衡、先導閉鎖、啟動頻繁過載、啟動頻繁、溫度異常、啟動時間過長等故障進行智能保護。下面以漏電保護為例介紹智能開關保護算法。漏電保護:漏電是煤礦井下電網的主要故障形式之一,約占其總故障的70% ,它不但導致人身觸電,還會形成單相接地,進而發展成相間短路,由此引發的電弧會造成瓦斯和煤塵爆炸,因此在煤礦井下電網中必須裝設漏電或選擇性漏電保護裝置。本項目綜合現有的選擇性漏電保護技術,探索并實現了新的保護原理。分開關采用功率方向性保護原理,利用零序電流和零序電壓的幅值和相位進行判斷和保護,從而實現選擇性漏電保護的要求。
  設電網零序電流為I0、零序電壓U0和相位角分別為θI、θv,根據傅立葉算法可求得二者分別為:θI=arctanI0I/I0r,θv=arctanUOI/UOR,IOI、IOR、UOI、UOR 為IO、UO 虛部與實部。


  
  將零序電流超前移項,以基波零序電壓為基準,映射到平面上,則構成漏電保護原理的判據方程:
         Pr= UOIIOICOS(θI+θv+π/2)
  對于故障支路總有Pr>0,而對非故障電路總有Pr<0,且故障支路的Pr,值比非故障支路大的多,從而可以準確、可靠的判斷出故障支路,實現選擇性漏電保護。
  2.3 操作系統的移植與通信協議的建立
  Windows CE是一種壓縮的、高效的、可升級的操作系統,針對硬件資源有限,設計了多任務、全優先的操作環境。Windows CE最大的優點是系統比較穩定、實時性好、內存占用少;最大的好處在于界面的通用性,用戶容易接收,以及層次性強、可移植性好、組件化可剪裁、強調變成接口和支持上層應用等,同時可以將Windows通用操作系統下的應用程序移植到嵌入式應用系統中。要進行嵌入式系統的應用開發,必須建立一個開發平臺,一個基于Windows CE的平臺有Windows CE操作系統核組件、OEM適配層、設備驅動程序和組成系統的硬件設備組成。將Windows CE移植到硬件平臺上,分成以下四個步驟:
  1)對操作系統進行裁減,配置各個組件并且修改相關的配置文件。
  2)開發目標設備系統上的設備驅動程序,建立定制的Windows CE操作系統映像文件。
  3) 將目標文件下載到目標設備上進行調試。
  4)定制操作系統內核后,導出平臺SDK,供在Embedded Visa1 C+ +中開發上層應用軟件。移植流程見圖3。
圖3 Windows CE移植流程圖
Windows CE的網絡通信基于一個按層組織的網絡堆棧,網絡堆棧實際上是wind。ws CE的一個組件,它負責對網絡中的數據傳輸進行處理,將來自于應用程序的數據分解成若干的小段,并為每小段加上相關地址和段的分割信息,組成可以存儲轉發的信息包,信息包中的地址確保數

  據達到最終的目的端點。訪問網絡堆棧有如下三種方式:WinSock端VI套接字方式;WinlnetAPI方式;CIFS重定位器方式。Windows CE通過對遠程訪問服務RAS客戶的支持,允許基于Windows CE的設備與遠程主機建立連接。(見圖3)

           圖3  Windows CE移植流程圖

3 結論

  本文設計的礦用組合開關體積小、接線簡單、事故點少容易檢修,且考慮了井下煤礦這一特殊環境,采用了多種軟硬件抗干擾技術,提高了設備的穩定性和安全性。人性化的人機界面,方便了工作人員的監控和管理,同時將開關信息及時傳送到監控中心,提高了煤礦的現代化管理水平,提高了生產效率。

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