呂景璐

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

煤礦井下井供電都是通過(guò)專門的供電監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成的。礦井供電監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)就是監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及根據(jù)控制器制定的參數(shù)去控制某些機(jī)構(gòu)執(zhí)行特定的任務(wù)。其中檢測(cè)的參數(shù)主要包括供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓、電流、負(fù)載功率、實(shí)時(shí)功率因數(shù)以及各種開(kāi)關(guān)器件的實(shí)時(shí)狀態(tài)等?？刂浦饕ü收献詣?dòng)保護(hù)、遠(yuǎn)程控制以及各種開(kāi)關(guān)的通斷控制等[1]。但目前煤礦井下使用的供電監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在可靠性低、通信接口兼容性差等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套基于LPC1788的礦井供電監(jiān)控分站，通過(guò)使用嵌入式系統(tǒng)以及增加CAN、以太網(wǎng)等通信接口來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和通信接口的兼容性，這對(duì)提高礦井供電綜合水平具有重要意義，也為同類型控制器的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 礦井供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

礦井供電網(wǎng)絡(luò)按電壓等級(jí)劃分為1 140 V的高壓部分和低于1 140 V的低壓部分。高壓部分的接線方式有3種，分別是：只有單一電源供電時(shí)的輻射狀接線，多種電源供電時(shí)的環(huán)狀，以及放射狀接線。低壓側(cè)電網(wǎng)的供電接線方式相對(duì)比較單一，只有單一電源供電的輻射狀接線[2]。

礦井供電網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)由3部分組成。第一層(最高層)是地面變電所，主要作用是為全礦變換和分配電能，主要設(shè)備包括電力變壓器、故障保護(hù)裝置、功率補(bǔ)償設(shè)備等。第二層由井下的中央變電站組成，主要功能是為井下各個(gè)采區(qū)變電站以及工作面變電站提供電能，主要設(shè)備包括電力變壓器、故障保護(hù)裝置、功率補(bǔ)償裝置等。第三層是采區(qū)變電所，主要作用是為礦井下各種機(jī)械設(shè)備提供電能，主要設(shè)備包括電力變壓器、故障保護(hù)裝置以及功率補(bǔ)償裝置等。煤礦典型的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦典型的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控分站硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控分站硬件框架

圖2所示為監(jiān)控分站硬件框圖，從圖中可以看出控制器設(shè)計(jì)了3種通信方式，分別為CPU、CAN、以太網(wǎng)。其中一臺(tái)為數(shù)據(jù)傳輸速率快，數(shù)據(jù)量大，此系統(tǒng)利用其與監(jiān)控上位機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；其他兩種通信方式主要用于與被監(jiān)控設(shè)備之間通信。整個(gè)控制器提供DC24 V電源。此外，還提供人機(jī)交互界面、以及用于運(yùn)行狀態(tài)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器等。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 CPU主控制器選型

系統(tǒng)選用的CPU為基于ARM架構(gòu)的LPC1788型32位處理器，其最高主頻能達(dá)到120 MHz，帶有32 kB的EEPRAM和512kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。LPC1788型的主要硬件資源如表1所示[3]。

表1 LPC1788主要硬件資源

2.3 CAN通信模塊設(shè)計(jì)

CAN總線是一種抗干擾性極強(qiáng)、應(yīng)用極為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線，其最大通信速率可達(dá)到1 Mbit/s。由于其在可靠性、傳輸距離以及使用靈活性上都有極明顯的優(yōu)勢(shì)，故在煤礦井下的應(yīng)用比較廣泛。

圖3所示為CAN總線接口電路圖，此系統(tǒng)選用的CAN內(nèi)部集成了CAN通信接口，為了增強(qiáng)通信線路的收發(fā)能力，外加了NXP設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TJA1050T型高性能收發(fā)芯片。該芯片可提供CAN通信層面的協(xié)議控制和物理總線接口，具有較強(qiáng)的差動(dòng)收發(fā)能力。由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，各種干擾層出不窮，為增強(qiáng)抗干擾能力在收發(fā)線路上加入了光電偶合器，將板內(nèi)的信號(hào)與板外的信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)。光電偶合器兩端的接地不是同一地，這樣可有效地防止共模干擾。在信號(hào)線末端的電容C1、C2可以有效地消除線路上的高頻干擾信號(hào)。為了防止通信電路上電壓的瞬時(shí)超限變化，在電路的末端加入了鉗位電路，可有效保護(hù)電路元器件[4-5]。

圖3 CAN總線接口電路圖

2.4 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)具有通信速率快、安裝方便、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

圖4為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)接口電路圖，使用的以太網(wǎng)收發(fā)芯片為DP83848型集成以太網(wǎng)控制芯片。這是一款支持10/100 Mbit/s的單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)芯片，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為DC3.3 V，Y600是50 M的有源晶振為芯片提供振蕩源，其芯片工作模式由39和7號(hào)引腳共同決定，在芯片的管腳外接電容目的是為了濾波。由于以太網(wǎng)通信速率比較高，故對(duì)電源的波動(dòng)比較敏感。在PCB布線時(shí)要將電容盡量靠近芯片的管腳，這樣才能發(fā)揮其最大作用。另外TD-/TD+和RD-/RD+需要采用差分布線的方式進(jìn)行連線。

圖4 以太網(wǎng)接口電路圖

3 監(jiān)控分站軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-II移植

由于傳統(tǒng)的單片機(jī)一般都采用裸程序，其所有的任務(wù)都嵌套在一個(gè)大循環(huán)里，使之系統(tǒng)穩(wěn)定性差，一旦在某個(gè)循環(huán)里出現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。 本設(shè)計(jì)中采用了嵌入式操作系統(tǒng)，將所有的程序按功能劃分為不同的模塊，每個(gè)模塊都為一個(gè)單獨(dú)的循環(huán)任務(wù)，CPU在各個(gè)任務(wù)之間按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行切換，不但能將CPU資源的利用最大化，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5為μC/OS-II系統(tǒng)代碼與體系結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)移植時(shí)主要修改的內(nèi)容為圖5中的第三部分。3個(gè)文件分別為OS_CPU.H、OS_CPU_A、OS_CPU_C.C。通過(guò)修改這3個(gè)文件中與硬件相關(guān)的參數(shù)，便可完成系統(tǒng)的移植[6]。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)劃分

此系統(tǒng)移植后便可按照各個(gè)任務(wù)的重要程度為它們優(yōu)先級(jí)劃分，見(jiàn)表2。按照功能要求大體分為以下的任務(wù)：

1)界面顯示。主要是顯示實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)以及各種參數(shù)，也可以進(jìn)行故障查詢。

圖5 μC/OS-II系統(tǒng)代碼與體系結(jié)構(gòu)

2)CAN通信。主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)單元與控制分站之間的信息交互。

3)以太網(wǎng)通信。主要負(fù)責(zé)監(jiān)控分站與地面監(jiān)控主站之間的信息交互，將上位機(jī)的控制信息下傳，同時(shí)上傳監(jiān)控分站采集到的各種參數(shù)。

4)協(xié)議轉(zhuǎn)化。將兩種不同的通信方式串聯(lián)起來(lái)，起到通信橋梁的作用，并將以太網(wǎng)的報(bào)文轉(zhuǎn)化為CAN通信的報(bào)文，以實(shí)現(xiàn)兩種不同通信方式之間的信息互聯(lián)。

5)存儲(chǔ)。將采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)保存故障記錄方便查詢。

表2 各任務(wù)間優(yōu)先級(jí)

3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖6為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出,芯片上電后首先是進(jìn)行芯片內(nèi)部各種中斷和堆棧初始化，然后是各種接口硬件的初始化，包括GPIO、通信接口等。當(dāng)初始化完畢后便啟動(dòng)μC/OS-II操作系統(tǒng)，用于任務(wù)創(chuàng)建和任務(wù)調(diào)度。具體的任務(wù)為：CAN、以太網(wǎng)通信任務(wù)、協(xié)議轉(zhuǎn)化任務(wù)、按鍵識(shí)別任務(wù)、LCD界面顯示任務(wù)以及存儲(chǔ)任務(wù)等。由于各種任務(wù)種類繁多，這里不做詳細(xì)介紹。

圖6 分站系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

通過(guò)在硬件上加入多種通信方式和在軟件上使用了嵌入式操作系統(tǒng)，有效地解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性兩個(gè)難題。該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，基本上能與井下的各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，為礦井下同類型控制器設(shè)計(jì)提供了新的思路。