【摘要】本文將微電子技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下電氣設(shè)備智能的保護(hù)當(dāng)中，借鑒了電力系統(tǒng)中已應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種集控制、保護(hù)、顯示、整定及通訊等功能為一體的電氣設(shè)備智能保護(hù)的裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電閉鎖、過壓、短路、過載、斷相等保護(hù)措施。

【關(guān)鍵詞】微電子技術(shù)；煤礦井下；電氣設(shè)備保護(hù)

1.引言

目前，煤礦井下電氣設(shè)備保護(hù)一般采用漏電保護(hù)、過流保護(hù)和接地保護(hù)三種方式。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，煤礦電氣設(shè)備主要有礦用變壓器、高壓防爆配電裝置、饋電開關(guān)等，對(duì)煤礦井下電氣保護(hù)的裝置類型很多，但是功能各異。

煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明，井下的電氣設(shè)備使用存在著非常多的安全問題，其中比較常見的是電氣設(shè)備的保護(hù)功能未能夠充分發(fā)揮，主要原因有：(1)礦下環(huán)境比較復(fù)雜，危害電氣設(shè)備的因素較多，故此電氣設(shè)備故障也多；(2)隨著電氣設(shè)備內(nèi)部的電子元器件越來越多使設(shè)備自身出現(xiàn)故障的概率增加；(3)一般情況下，煤礦井下使用的各種開關(guān)保護(hù)電路和控制電路都采用電子電路，這樣對(duì)電氣設(shè)備故障處理、檢修以及維護(hù)增加難度；(4)煤礦電氣設(shè)備的配件通用性不高。

這樣，開發(fā)一種具有性能穩(wěn)定、保護(hù)穩(wěn)定、反應(yīng)速度快、可靠性好、靈敏度高、方便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)的煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元是解決國內(nèi)煤礦井下電氣設(shè)備不能被充分保護(hù)問題的關(guān)鍵。將微電子技術(shù)應(yīng)用在煤礦系統(tǒng)中的電機(jī)保護(hù)等領(lǐng)域中，對(duì)真正的實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的智能保護(hù)模式，充分發(fā)揮微型計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力的多功能、智能化的保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有重要意義。

2.智能保護(hù)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1智能保護(hù)裝置的工作原理

通常情況下，煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元的工作原理如下所示：首先保護(hù)單元把檢測(cè)到的電信號(hào)分別通過電流變送器和電壓變送器轉(zhuǎn)化為0到1V的電壓信號(hào)，然后在利用測(cè)量放大器將得到的電壓信號(hào)放大為O到5V的電壓信號(hào)并送到CPU，接著通過CPU內(nèi)的A／D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，CPU立刻對(duì)它進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，對(duì)所保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯判斷之后，利用總線的緩沖驅(qū)動(dòng)器對(duì)繼電器直接進(jìn)行操作或發(fā)出命令。

2.2總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、價(jià)格低廉、使用方便且靈活等優(yōu)點(diǎn)，故它經(jīng)常被應(yīng)用在智能監(jiān)控裝置(儀器)的控制單元中。智能保護(hù)單元必須在控制系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候能夠及時(shí)并準(zhǔn)確的判斷出故障點(diǎn)以及及時(shí)的斷開故障電流，同時(shí)保證在控制系統(tǒng)正常工作的時(shí)候，控制單元必須能夠及時(shí)準(zhǔn)確的處理大量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，故此智能保護(hù)單元對(duì)硬件中央處理器的快速性、實(shí)時(shí)性、多功能性和準(zhǔn)確性要求都十分高，因此在對(duì)硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候本文選用了實(shí)時(shí)性和快速性都十分好的PIC16F877A單片機(jī)作為中央處理器。

基于單片機(jī)PICl6F877A的智能保護(hù)單元的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。

3.智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件設(shè)計(jì)概述

軟件系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它能夠保證智能保護(hù)單元穩(wěn)定可靠、高效、安全工作，故此對(duì)智能保護(hù)單元的軟件設(shè)計(jì)也是作為智能保護(hù)單元設(shè)計(jì)的核心之一。本文對(duì)智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)是通過PIC單片機(jī)的匯編語言進(jìn)行編寫，因?yàn)樗哂芯?jiǎn)的指令集(35條指令)、尋址方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且采用匯編語言進(jìn)行編程能夠更充分更有效的利用它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效和高速等優(yōu)點(diǎn)，從而保證實(shí)時(shí)的可靠控制。

3.2系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)主要是采用對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的思想，它主要是把系統(tǒng)要完成的任務(wù)模塊化，這樣作為各個(gè)彼此相互獨(dú)立的子程序便能夠在實(shí)現(xiàn)功能的時(shí)候統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。

本系統(tǒng)包括電流保護(hù)模塊、電壓保護(hù)模塊、絕緣電阻保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)控模塊、時(shí)鐘模塊、通訊模塊、聯(lián)控模塊、故障存儲(chǔ)及查詢模塊和鍵盤顯示模塊等，以上各個(gè)功能模塊在主程序的統(tǒng)一調(diào)度下完成各自的功能，主程序的流程圖如圖3-1所示。

4.抗干擾設(shè)計(jì)

4.1硬件抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)硬件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)能夠使整個(gè)系統(tǒng)具有效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)硬件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)是很有必要的，本智能保護(hù)單元主要對(duì)以下兩方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。

4.1.1印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)

印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)主要是針對(duì)地線、電源線的布線、去耦電容的配置、印刷電路板的尺寸與器件布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如下：

首先是對(duì)地線的設(shè)計(jì)，地線設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）接地構(gòu)成閉環(huán)路電源線布置。降低地線產(chǎn)生電位差，能夠增加抗噪聲能力。（2）適當(dāng)增大接地線直徑，這樣可以減少地線內(nèi)阻，平穩(wěn)單片機(jī)的電平信號(hào)，提高抗噪聲的性能。（3）把模擬地線和數(shù)字地線分開。這樣能夠降低模擬電路和數(shù)字電路間的干擾。

其次是電源線的布線設(shè)計(jì)。布線除了要根據(jù)電流的大小，增加導(dǎo)體的寬度外，還應(yīng)該盡量使地線、電源線的走向與數(shù)據(jù)線方向一致，這樣有助于增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。

然后是去耦電容的配置的設(shè)計(jì)，主要可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）在每個(gè)集成電路芯片的電源輸入端與接地端間都安裝一個(gè)陶瓷電容。（2）電源的輸入端跨接100μF電解電容。

最后是印刷電路板的尺寸與器件布置的設(shè)計(jì)。印刷電路板的尺寸要適中，若過大，印刷線條長(zhǎng)，從而阻抗大，這樣不僅會(huì)使抗噪聲能力下降，也會(huì)增加成本，若過小，則散熱性能不好。同時(shí)容易受到鄰線條的干擾。故此在布置器件的時(shí)候，應(yīng)把相互有關(guān)的器件的距離小點(diǎn)，能獲得較好的抗噪聲效果，晶振和時(shí)鐘輸入端都容易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。如果容易產(chǎn)生小電流電路、噪聲的器件、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)邏輯電路，盡量另做電路板。

4.1.2信號(hào)輸入通道的抗干擾設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入信號(hào)在經(jīng)過光電耦合器后便被送到中央處理器，光電耦合器能夠?qū)⑤斎氲男盘?hào)在中央處理器處完全隔離，這樣能夠有效的防止干擾信號(hào)從開關(guān)量輸入部分進(jìn)入主機(jī)。光電耦合器的原邊是一個(gè)發(fā)光二極管，副邊是一個(gè)光敏三級(jí)管，以光作為媒介傳輸信號(hào)，原邊和副邊之間無電的聯(lián)系。光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制尖峰脈沖以及各種噪聲干擾，不受磁場(chǎng)影響，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)不需要任何屏蔽。

4.2軟件抗干擾設(shè)計(jì)

智能控制單元軟件抗干擾的措施主要從軟件采用模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)字濾波、軟件陷阱、增加看門狗監(jiān)視程序四個(gè)方面，具體如下所示：

1.軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊調(diào)用的形式能夠使程序之間耦合的程度大大降低，另外在軟件設(shè)計(jì)過程中，在大部分功能模塊中都定義了相應(yīng)的控制寄存器，比如在分合閘模塊中，定義了兩個(gè)位分別為合閘請(qǐng)求和合閘允許的標(biāo)志位，只有兩個(gè)都為指定的電平狀態(tài)時(shí)才能夠合閘，這樣就能夠有效的避免了誤動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。

2.數(shù)字濾波。在數(shù)據(jù)采集時(shí)連續(xù)采樣六個(gè)數(shù)據(jù)，采用去掉最大值和最小值，然后對(duì)剩下的四個(gè)數(shù)據(jù)求平均值的方法。

3.軟件陷阱。程序跑飛后就會(huì)隨機(jī)落在程序存儲(chǔ)器中的任何位置，這樣便能夠采用軟件陷阱的方法把程序空間中的空白空間填充。

4.增加看門狗監(jiān)視程序。為有效的防止程序運(yùn)行出錯(cuò)而導(dǎo)致中央處理器進(jìn)入死循環(huán)，充分發(fā)揮處理器的功能，這樣便集成看門狗模塊的功能，在開發(fā)環(huán)境中開放看門狗功能。

5.總結(jié)

本文首先說明了煤礦井下設(shè)備的智能保護(hù)的當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用情況，說明了研究它的意義；其次對(duì)智能保護(hù)裝置的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，說明了硬件和軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后又對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾進(jìn)行了設(shè)計(jì)，大大提高了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。