電氣工程專業(yè)論文-煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元的研究

I本文將電子技術(shù)和微機技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下電氣設(shè)備的智能保護(hù)中，并借鑒電力系統(tǒng)微機繼電保護(hù)的成熟經(jīng)驗，研制了一種集保護(hù)、控制、測量、顯示、整定、自診斷及通訊等功能為一體的新型煤礦電氣設(shè)備智能保護(hù)。本裝置具有漏電閉鎖、短路、過載、斷相、欠壓、過壓等保護(hù)措施，并且采用液晶顯示器對運行情況及故障情況進(jìn)行顯示，還設(shè)有故障查詢系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)；軟件編程采用了模塊化結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級，此外，還研究了智能保護(hù)單元中的抗干擾問題。usedinintelligentprotection.Drawingonripeexperienceofwithprotection,control,measuring,display,setting,self-diagnosisandprotectivestepsofleakagelocking,short-circuit,overload,phase-failure,1.1煤礦井下電氣設(shè)備的電氣保護(hù)現(xiàn)狀目前煤礦井下電氣設(shè)備的電氣保護(hù)主要有過流保護(hù)、漏電保護(hù)和接地保護(hù)三種類型。煤礦電氣設(shè)備有礦用一般型高壓開關(guān)柜、高壓防爆配電裝置、移動變電站(或礦用變壓器)、饋電開關(guān)以及磁力起動器等，其電氣保護(hù)裝置類型多樣，功能各異。礦用一般型高壓開關(guān)柜主要用于煤礦地面變電所、井下中央變電所、低瓦斯礦井的井底車場、總進(jìn)風(fēng)巷和主要進(jìn)風(fēng)巷，其通用的繼電保護(hù)裝置一般均以電磁感應(yīng)式為主，整個系統(tǒng)包括繼電器、電流互感器及斷路器等幾部分，能夠?qū)崿F(xiàn)反時限的過載、定時限的過流、瞬動短路、失壓或欠壓保護(hù)功能以及漏電保護(hù)(又稱為接地保護(hù))等功能。這種保護(hù)方式的結(jié)構(gòu)簡單，并且現(xiàn)場具備一定的維護(hù)能力。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種電氣保護(hù)方式和保護(hù)設(shè)備將由電磁感應(yīng)式、晶體管式、集成電路式繼電器向微處理器式及數(shù)字式繼電器方向發(fā)展。目前煤礦井下采區(qū)變電所、綜采工作面在使用的高壓防爆配電裝置主要有PB系列、BGP系列等。在使用著的部分油斷路器的高壓防爆配電裝置，其保護(hù)執(zhí)行機構(gòu)一般為過流、高壓漏電絕緣監(jiān)視脫扣器和失壓脫扣器等。由于機械彈簧易老化疲勞、保護(hù)整定不準(zhǔn)確及經(jīng)常誤動作等，使之操作不便，使用維護(hù)困難。而近幾年推廣的高壓防爆真空配電裝置均采用高壓真空斷路器、綜合保護(hù)器(或電子繼電保護(hù)單元)以及電能計量裝置等，具有漏電監(jiān)視、過流、失壓及過壓等保護(hù)功能，并具備顯示電壓、電流和故障類型等功能。煤礦井下低壓供電系統(tǒng)的電氣保護(hù)裝置大多是作為插件安裝在開關(guān)設(shè)備內(nèi)部，與主回路電器配合完成相應(yīng)的電氣保護(hù)功能，當(dāng)前廣泛使用的KBZ系列真空饋電開關(guān)的QJZ系列真空磁力起動器，它們的保護(hù)裝置主要有DT3電子脫扣保護(hù)器、CMOS電子保護(hù)系統(tǒng)和ABD8電機綜合保護(hù)器三種，其中以ABD8電機綜合保護(hù)器的使用量最大，這種保護(hù)裝置具備過載、斷相、短路、欠壓、失壓和漏電閉鎖保護(hù)功能。我國研究開發(fā)的多種地面和井下用的高壓檢漏保護(hù)和監(jiān)視保護(hù)裝置的工作原理主要有補償電流型、電流方向型及功率方向型等。大多數(shù)采用功率方向相敏脈沖比較或相敏絕對值比較原理構(gòu)成，具有選擇性。其中用于地面和井下中央變電所的多為集中選線型；用于采區(qū)變電所的均包括漏電監(jiān)視、過載、斷相、短路保護(hù)的綜合保護(hù)裝置，并與開關(guān)配套使用。國產(chǎn)低壓檢漏繼電器絕大多數(shù)為礦用隔爆型，繼電器電路均采用附加直流電源原理進(jìn)行漏電保護(hù)，也有設(shè)計為選擇性漏電保護(hù)的檢漏繼電器，總饋電開關(guān)的漏電延時電路仍采用附加直流電源的保護(hù)方式；漏電保護(hù)及漏電閉鎖電路采用集成式邏輯電路，選擇性漏電保護(hù)采用零序電流方向原理來實現(xiàn)，即根據(jù)零序電流和零序電壓的相位關(guān)系來判斷故障支路。1.2本文問題的提出及研究意義如上所述，目前煤礦井下使用的配電開關(guān)和控制開關(guān)在設(shè)計和制造時都設(shè)置了短路保護(hù)、過載保護(hù)、漏電保護(hù)和漏電閉鎖保護(hù)功能，一些開關(guān)還采用了隔爆兼本質(zhì)安全型防爆措施，保護(hù)裝置大都采用了功能完善的電子電路，基本上能夠滿足《煤礦安全規(guī)程》的安全要求。生產(chǎn)實踐表明，煤礦井下電氣設(shè)備的使用仍然存在著很多的安全隱患，其中最為嚴(yán)重的是電氣設(shè)備的保護(hù)功能不能充分發(fā)揮作用，其原因主要有以下幾個方面：(1)、煤礦井下環(huán)境特殊，電氣設(shè)備受危害的因素多，電氣設(shè)備故障多；(2)、井下使用的各種開關(guān)的控制電路和保護(hù)電路廣泛采用電子電路，造成電氣設(shè)備故障處理、檢修和維護(hù)的難度增加，使故障不能及時得到檢修處理，造成電氣設(shè)備在保護(hù)不完善或沒有保護(hù)的狀態(tài)下運行；(3)、電氣設(shè)備內(nèi)部電子元器件增多也使設(shè)備自身出現(xiàn)故障的機率增多；(4)、電氣設(shè)備使用者不按生產(chǎn)廠家的要求操作，把電氣設(shè)備的保護(hù)裝置甩掉不用，使設(shè)備在缺少保護(hù)的情況下運行，例如：將饋電開關(guān)中的故障跳閘線圈封死，不讓其跳閘，或者將磁力起動器中接觸器電磁線圈回路的性不高。我國煤礦專用配電開關(guān)和控制開關(guān)生產(chǎn)廠家很多，而各廠家都有自己與眾不同的設(shè)計方案，使設(shè)備的結(jié)構(gòu)和電路原理有較大差異，這樣就會造成企業(yè)配件儲備困難、設(shè)備因缺少配件而得不到修復(fù)的現(xiàn)象。因此，開發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護(hù)種類齊全、動作速度快、靈敏度高、可靠性好、方便實用的煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元是解決國內(nèi)煤礦井下電氣設(shè)備電氣保護(hù)問題的關(guān)鍵。將電子技術(shù)微機技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于煤礦系統(tǒng)中的電機保護(hù)領(lǐng)域中，真正的形成機電一體化的智能保護(hù)模式，充分發(fā)揮微型計算機的強大的數(shù)據(jù)處理能力的多功能、智能化的保護(hù)系統(tǒng)，對于減少煤礦井下電氣設(shè)備的安全隱患、確保煤礦安全生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義。本文在詳細(xì)了解目前我國煤礦井下電氣設(shè)備的電氣保護(hù)現(xiàn)狀及其智能保護(hù)單元需求的基礎(chǔ)上，完成了適合我國煤礦井下電氣設(shè)備使用的智能保護(hù)單元的樣機研制工作。研制的煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元所具備的主要功能有：a.計量功能時，漏電閉鎖保護(hù)動作，禁止起動。當(dāng)主回路對地絕緣電阻恢復(fù)到倍額定電流時，起動器短路保護(hù)動作。后起動器不能自動復(fù)位，故障消除后，需按復(fù)位按鈕起動器才能自表1-1過載保護(hù)動作指標(biāo)項號動作時間起動狀態(tài)12h不動作冷態(tài)2小于20min或小于1151s冷態(tài)3小于3min或小于176s冷態(tài)小于13s冷態(tài)(5)過壓、欠壓保護(hù)。主回路電壓工作在0.85-1.15Ue,超壓，應(yīng)立即停止工作，切斷電源。(6)遠(yuǎn)控線路短路、斷路保護(hù)?？刂凭€路應(yīng)具備短路和斷路保護(hù)功能。當(dāng)遠(yuǎn)方控制線路發(fā)生短路和斷路時，應(yīng)停止工作；但是，此時采用近控起動，仍能正常工作。能夠?qū)﹄姍C發(fā)生的漏電、短路、過載、缺相、過壓、欠壓、遠(yuǎn)控線路短路以及遠(yuǎn)控線路斷路進(jìn)行故障存儲，并且存儲故障發(fā)生時的故障時間、故障類型以及故障值大小等故障信息，當(dāng)技術(shù)人員需要對系統(tǒng)進(jìn)行有針對的檢修時可以輸入時間進(jìn)行故障查詢。息的顯示。2智能保護(hù)單元的硬件電路設(shè)計2.1智能保護(hù)單元的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元的工作原理是，首先將檢測的電信號分別經(jīng)電壓變送器和電流變送器，變成0～1V的電壓信號，再經(jīng)測量放大器放大成0～5V的電壓信號，送至CPU,由CPU內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器將其變成數(shù)字信號后，CPU隨即進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理，計量數(shù)據(jù)經(jīng)過總線緩沖驅(qū)動器顯示在液晶屏上，CPU在對保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷后，通過總線緩沖驅(qū)動器對繼電器直接操作或者發(fā)出閉鎖信號。CPU定期對開關(guān)量輸入狀態(tài)、開關(guān)量工作狀態(tài)及鍵盤、保護(hù)接口進(jìn)行掃描和檢測，完成對保護(hù)對象的狀態(tài)監(jiān)測和人機交互功能，所有的故障信息都存放在非易失性RAM中，CPU通過串口電路向調(diào)度中心發(fā)送數(shù)據(jù)或接收指令，復(fù)位電路能使系統(tǒng)自動復(fù)位。由于單片機具有性能高、速度快、價格低、體積小、穩(wěn)定可靠、使用方便靈活等優(yōu)點，因而常常被用在智能監(jiān)控裝置(儀器)控制中。由于智能保護(hù)單元必須在系統(tǒng)發(fā)生故障時及時判斷出故障點并能及時切斷故障電流；在系統(tǒng)正常工作時，控制單元必須有能力及時處理大量實時動態(tài)數(shù)據(jù)，因此智能保護(hù)單元對硬件CPU的實時性、快速性、準(zhǔn)確性和多功能性要求很高，為此在硬件設(shè)計時選用了實時性和快速性都非常好的PIC16F877A單片機作為中央處理器?；趩纹瑱CPIC16F877A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。由圖可見，它主要由以下幾個功能模塊組成：a.由CPU、時鐘電路和復(fù)位電路組成CPU最小工作系統(tǒng)。模擬開關(guān)、放大器以及CPU的A/D轉(zhuǎn)換模塊組成數(shù)據(jù)采集模塊。c.12路開關(guān)量輸入和3路開關(guān)量輸出組成I/0功能模塊。d.由4×4鍵盤和液晶顯示組成的人機對話模塊。e.由漏電閉鎖模塊、通信模塊、聯(lián)控模塊、故障存儲模塊、實時時鐘模塊以及電源模塊構(gòu)成的智能保護(hù)單元的功能電路模塊?？偩€緩沖器(二)總線緩沖器(一)位路復(fù)電2.2CPU最小工作系統(tǒng)的設(shè)計CPU最小工作系統(tǒng)由PIC16F877A單片機芯片、復(fù)位電路和晶振電路組成。CPU最小工作系統(tǒng)是整個控制單元的核心，它將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號，以及各類開關(guān)量信號送給CPU,CPU依據(jù)一定的算法和邏輯判斷進(jìn)行各種實時的處理，并生成和傳送相應(yīng)的控制命令和各種信息，對異常的情況迅速的做出反應(yīng)，并且及時準(zhǔn)確的分PIC16F877A是美國微芯公司所生產(chǎn)的單片機，具有以下一些優(yōu)點：a.快速的數(shù)據(jù)處理能力在一般的單片機中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的，即分時復(fù)用的，而PIC單片機采用了“哈佛總線結(jié)構(gòu)”,就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度。這樣做的好處是便于指令提取的流水作業(yè)，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進(jìn)行取指操作；便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。在本設(shè)計中采用4MHZ的晶振，每因此它具有快速的數(shù)據(jù)處理能力。寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來了極大的便利。而MCS-51單片機的指令系統(tǒng)共有111條指令；MC68HC05單片機的指令系統(tǒng)共有89條指令。PIC系列單片機不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)的指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。PIC系列單片機的功耗極低，是目前世界上功耗最低的單片機時鐘下工作時耗電不超過2mA,在睡眠模式下耗電可以降到1uA以下。I/0端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強，每個I/0引腳吸入和輸出電流能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等。尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機只有4種尋址方式，即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址，比較容易記憶和操作。而MCS-51系列單片機則為7種尋址方式，同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。串行接口和串行總線的設(shè)置，不僅大大的簡化了單片機應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且還極易形成產(chǎn)品電路的模塊化結(jié)構(gòu)。目前，松下、日立、索尼、夏普、長虹等公司，都在其大屏幕彩電等產(chǎn)品中引入了I2C技術(shù)。在本設(shè)計中使用I2C總線協(xié)議進(jìn)行故障存儲操作。2.2.2復(fù)位電路設(shè)計PIC16F877A的復(fù)位可以歸納成四類：人工復(fù)位、上電復(fù)位、看門狗復(fù)位、欠壓復(fù)位。本設(shè)計所采用的復(fù)位電路原理圖如下圖2-2所示：圖2-2手動復(fù)位電路原理圖如圖2-2所示，手動復(fù)位電路由電阻R1、R2及復(fù)位按鈕組成。其作用：(1)上電復(fù)位功能。在復(fù)位按鈕未被按下時，給單片機加電，當(dāng)VCC上升到規(guī)定值1.6～1.8V時，就會產(chǎn)生一個復(fù)位信號，需經(jīng)72ms+1024個時鐘周期的延時，才會使單片機復(fù)位。此時電阻R1、R2對于引腳內(nèi)部電路起到保護(hù)作用。(2)人工復(fù)位功能。無論是單片機在預(yù)定的正常順序運行程序，還是出現(xiàn)單片機進(jìn)入不可預(yù)知的某一個死循環(huán)(形成死機現(xiàn)象),都認(rèn)為單片機在執(zhí)行程序。單片機在執(zhí)行程序期間，只要在人工復(fù)位端加入一個低電平信號，就會令其復(fù)位。當(dāng)按鈕按下時，在復(fù)位端就會產(chǎn)生一個低電平的復(fù)位信路是為了防止程序受干擾后跑飛而設(shè)計的，需與軟件配合實現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)從頭開始運行。2.2.3晶振電路設(shè)計晶振電路作為時基發(fā)生器的時鐘振蕩電路，為整個單片機芯片內(nèi)部各個部分電路的工作提供系統(tǒng)時鐘信號，也為單片機與其他外接芯片之間的通信以及與其他數(shù)字系統(tǒng)或者計算機系統(tǒng)之間通信，提供可靠的同步時鐘信號。PIC單片機設(shè)計了4種類型的時基振蕩方式：(1)標(biāo)準(zhǔn)的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式XT;(2)高頻的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式HS(4MHz)以上；(3)低頻的晶體振蕩器/陶瓷諧振器振蕩方式LP(32.768kHz);(4)外接電容元件的阻容振蕩方式RC。圖2-3給出了最常用的XT模式和RC模式兩種振蕩器所需的外接電路。其中RC振蕩器需外接一條阻容支路，來構(gòu)成一個自激多諧振蕩器。如圖2-3(a)所示。當(dāng)電阻R和電容C分別取值4.7KΩ和22pF時，振蕩器頻率約為4MHz。XT模式振蕩器需要外接一個石英晶體和兩個電容，共同構(gòu)成的一個自激多諧振蕩器，如圖2-3(b)所示，其工作頻率取決于晶體的固有頻率。當(dāng)石英晶體為4MHz時，電容C1和C2均選為15pF。R(a)接RC(b)接晶體圖2-3常用振蕩器外接電路考慮到通信時的波特率的設(shè)置和相對誤差值，所以在本設(shè)計中選用能產(chǎn)對于PIC系列中的任一款單片機的開發(fā)，都可以借助于一套免費軟件綜合開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)程序編寫和模擬仿真，再用任意一種廉價的燒寫器完成程序的固化燒寫，便形成一套最經(jīng)濟實用的開發(fā)系統(tǒng)。利用Microchip的在線串行編程技術(shù)可以對PIC的flash程序存儲器進(jìn)行在線串行編程時需要占用芯片1引腳MCLR/VPP作為低電壓編程輸入端，39引腳RB6/PGC為串行編程時鐘輸入端和40引腳RB7/PGD為串行編程數(shù)據(jù)輸入端，除以上3個引腳外還有電源的兩個引腳，因此MPLAB-ICD在線調(diào)試接口為一個5針接口，它可以使用MPLAB-ICD在線調(diào)試器方便地對完成的產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場在線調(diào)試和程序燒寫操作，十分方便。煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元中需要采集的模擬信號有A相電流信號、B相電流信號、C相電流信號、電壓信號、絕緣檢測信號、遠(yuǎn)控信號和甲烷檢測信號，這些信號經(jīng)多路模擬開關(guān)CD4051選通后，經(jīng)測量放大器AD620進(jìn)行放大后進(jìn)入PIC16F877A的A/D轉(zhuǎn)換器。圖2-5智能保護(hù)單元的模擬量信號采集電路CD4051芯片是通過A、B、C的控制來選通8路模擬信號，如圖2-5所示CD4051的A、B、C分別與PIC16F877A的RA1、RA2、RA3相連，通過這三個I/0口電平狀態(tài)的改變來選通這7路信號，這7路信號從I/O0～I(xiàn)/06分別對應(yīng)A相電流信號、B相電流信號、C相電流信號、電壓信號、絕緣檢測信號、遠(yuǎn)控信號和甲烷檢測信號。這七路信號均為0～1V的模擬電壓信號，經(jīng)過CD4051選通以后，在送至AD620進(jìn)行放大處理，AD620的增益由第1和第8引腳間的電阻決定，我們選擇電阻為12.35千歐，使其增益為5倍，這樣就把0～1V的電壓信號放大5倍成為0～5V的電壓信號，然后送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。換速度較快，并且轉(zhuǎn)換時間和采樣速度可以調(diào)節(jié)，分辨率也能滿足精度的要求。它的精度為5000/2l?-1≈5mv,只要有5mv電壓它的ADC模塊就能識別，轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位2進(jìn)制數(shù)。PIC16F877A的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，這樣就把0～5V的電壓信號轉(zhuǎn)換為10位的二進(jìn)制數(shù)值，轉(zhuǎn)換完成后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，最后存入指定的緩沖區(qū)內(nèi)。聯(lián)控選擇、近起、急停、主回路返回、檢漏回路返回和復(fù)位等，考慮到輸入開關(guān)量對系統(tǒng)的干擾，所有的輸入開關(guān)量均經(jīng)過光電隔離后與8255相連；開關(guān)量輸出則經(jīng)過達(dá)林頓管與中間繼電器相連，形成跳合閘控制電路，跳合閘電路的任務(wù)是驅(qū)動真空接觸器線圈的整流橋，控制真空接觸器線圈的中間繼電器，控制整流橋橋臂的中間繼電器。近起按鈕按下時，將在8255(1)的PB0口產(chǎn)生低電平，如果這個信號被處理器檢測且滿足合閘條件，真空接觸器將會合閘；近停按鈕按下時，將在8255(1)的PB1口產(chǎn)生低電平，如果這個信號被處理器檢測且滿足分閘條件，真空接觸器將會分閘；主回路返回信號是由真空接觸器的一個常開輔助觸點產(chǎn)生的，當(dāng)接觸器處于分閘口為高電平，反之為低電平，從而處理器可以檢測到真空接觸器的實際狀態(tài)。真空接觸器的線圈是直流驅(qū)動的，實驗測試表明，真空接觸器從分閘狀態(tài)到合閘狀態(tài)，需要克服較大的靜摩擦阻力，需要約為2A的電流，當(dāng)處于合閘狀態(tài)時，只需約0.75A的電流即可維持開關(guān)的合閘狀態(tài)，因此以較大的電流使真空接觸器快速可靠地吸合，再以較小的電流使真空接觸器可靠維持吸合狀態(tài)，可減少線圈發(fā)熱老化，圖2-7接觸器線圈整流橋電路人機交互電路模塊的作用是為了讓人能和基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行簡單的“交流”。對于本文的煤礦井下電氣設(shè)備智能保護(hù)單元而言，就是讓人知道智能保護(hù)單元某些端口或器件的工作狀態(tài)，同時還能人為干預(yù)系統(tǒng)的工作方式。人機交互電路模塊包括4×4鍵盤電路和OCMJ4×8B_2液晶顯示電路2.5.14×4鍵盤電路的設(shè)計本智能保護(hù)單元采用矩陣式鍵盤，它可以進(jìn)行主機從機選擇、額定電流設(shè)定、時間設(shè)定及故障查詢等。將其安裝在外殼的控制面板上，直接進(jìn)行液晶顯示部分操作。4×4鍵盤的按鍵包括菜單鍵、返回鍵、▲鍵、√鍵、確定鍵、清除鍵以及10個數(shù)字鍵(即數(shù)字0～9)。鍵盤的行線和列線接在8255(1)的C口，這樣就可以不占用處理器的引腳資源，也不需要專用的鍵盤接口芯片，就可以用行列掃描的方式對鍵盤編碼。鍵盤由8255(1)的C口控制，高四位設(shè)定為輸入，低四位設(shè)定為輸出，PC7～PC4定義為行碼，PC3～PCO定義為列碼，只要鍵盤有任何一個按鍵按下，有且只有一條行線和一條列線接通。鍵盤模塊的硬件電路圖及外觀圖分別如圖2-8、圖2-9所示。圖2-84×4鍵盤模塊的硬件電路原理圖中2.5.2OCMJ液晶顯示電路的設(shè)計液晶顯示器件與CPU的連接方式有兩種，一種是直接訪問方式，另一種是間接訪問方式。直接訪問方式就是將液晶顯示器件的接口作為I/0設(shè)備直接掛在CPU總線上，CPU以訪問I/0設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。間接訪問方式是CPU通過擴展的并行接口本文研制的智能保護(hù)單元采用8255A芯片間接訪問方式，CPU可以通過對8255A的操作以達(dá)到對液晶顯示模塊的控制，這種接法電路簡單，控制時序可以通過軟件來實現(xiàn)，另外用8255A擴展可以O(shè)CMJ4×8B_2顯示器的硬件連接電路。由圖2-10可知，0CMJ4×8B_2液晶顯示電路以0CMJ4×8B_2液晶顯示模塊為核心，它自帶中文字庫，可以每行最多可以顯示8個漢即調(diào)用漢字?jǐn)?shù)據(jù)后，如果不再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，以前顯示的數(shù)據(jù)可以保持，這將可以省去動態(tài)刷新屏幕的工作。8255A選擇工作方式0,其B與液晶顯示控制器的數(shù)據(jù)總線相連，0CMJ4×8B_2顯示器的BUSY與PIC16F877A的RB1接。由于PIC系列單片機的I/0端口具有方向選擇和讀寫選擇控制圖2-11絕緣檢測等效電路遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文18通過轉(zhuǎn)換得到R?的函數(shù)…本設(shè)計通信模塊選用可遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)的RS-485,通過RS-485將現(xiàn)場參數(shù)送往礦局域網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)用戶可以在任意時刻瀏覽電氣設(shè)備的運行情況。通信的基本方式分為并行通信和串行通信。并行通信的優(yōu)點是傳輸速度快，缺點是需要同時連接的線數(shù)多，尤其是在通信距離較長時傳輸線的成本會急劇增加。串行通信的缺點是傳送速度較慢，突出的優(yōu)點是僅僅需要數(shù)量很少的傳輸線，特別適合遠(yuǎn)距離傳輸。且對單片機而言，串行通信需要占用的引腳資源較少。在數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)上的分布式控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要采用串行通信來達(dá)到遠(yuǎn)程信息交換的目的。所以本設(shè)計采用了RS-485串行通信方式。RS-485串行通信方式遵循RS-485通信接口標(biāo)準(zhǔn)：a.RS-485的電氣特性：邏輯”1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯”0"以兩線間的電壓差為一(2～6)V表示。接口信號電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接；b.RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps;c.RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好；d.RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實際上可達(dá)3000米，在總線上是允許連接多達(dá)128個收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，MAX485傳輸方式采用差動方式，MAX485的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和傳輸原理圖如圖2-12所示。因為MAX485采用兩線制，通過它的信號被傳送出去時會先分成正負(fù)的兩條線路，當(dāng)?shù)竭_(dá)接受方后，再將信號相減還原成原來的信號。所以它的輸入與輸出信號所經(jīng)過的線路相同，這就決定了它的通信方式只能是半雙工的。在用MAX485進(jìn)行通信時，應(yīng)該仔細(xì)考慮如何控制它何時收發(fā)，是屬于接收還是發(fā)送信號，然后只要對MAX485的DE和RE管腳進(jìn)行控制就行了，PIC16F877A與MAX485的連接原理圖如圖2-13所示。8255(1)8255(2)上位機接口主8255(1)8255(2)上位機接口主機下位機接口上位機接門下位機接口上位機接口下位機接口2.6.3聯(lián)控模塊的設(shè)計護(hù)單元設(shè)置了聯(lián)控功能，當(dāng)系統(tǒng)被設(shè)置成聯(lián)控模式以后，任何一臺保護(hù)單元都可以在菜單中設(shè)置成主機或從機，但是整個系統(tǒng)中只能有一臺主機，其它從機在主機的控制下聯(lián)網(wǎng)運行，并且采用延時使從機按先后順序起動，延時時間在(0～99s)內(nèi)隨意設(shè)置。圖2-14為二臺保護(hù)單元進(jìn)行聯(lián)控時的原理圖。上位機5V上位機0UT6下位機5V圖2-14聯(lián)控原理圖聯(lián)控方式采用環(huán)型接線方式，每個控制單元的聯(lián)控接口包括上位機接口和下位機接口兩部分，下面以三機聯(lián)控為例說明聯(lián)控接線方式，如圖2-15所示。通過設(shè)置后機延時時間，可實現(xiàn)從機順序起動，聯(lián)控系統(tǒng)由主機控制起動和停止，但聯(lián)控系統(tǒng)的每臺機仍然可以單獨起動和停止。聯(lián)控系統(tǒng)任何一臺機發(fā)生故障，系統(tǒng)實現(xiàn)停機，故障機本身顯示并記錄故障信息，聯(lián)控系統(tǒng)其他機器只顯示故障機的編號，不作記錄。聯(lián)控系統(tǒng)發(fā)生故障后，必須先排除故障，并使121圖2-15聯(lián)控接線圖本設(shè)計用頻率來對應(yīng)各種聯(lián)控命令，聯(lián)控系統(tǒng)的信息傳送是通過一定頻率的脈沖來實現(xiàn)的，每個從機號和控制命令都對應(yīng)著相應(yīng)的頻率的脈沖，某臺機要向下位機發(fā)送命令或從機號時只須發(fā)送相應(yīng)頻率的脈沖即可。下位機接收后進(jìn)行解碼，就可以識別上位機的命令。光耦電路是接收下位機或上位機脈沖和接收下位機合閘信號的。而應(yīng)見表2-1。從機號4ms的脈沖數(shù)(個)半周期時間頻率理論信頻率實際值02412638236489起動信號352.6.4故障存儲模塊的設(shè)計接口。鐵電存儲器具有持久保存數(shù)據(jù)的能力和存儲快速性的優(yōu)點，存源波動還來不及干擾就已經(jīng)存儲完畢了。因此利用鐵存儲器的上述優(yōu)點，在設(shè)計中對發(fā)生的各種電壓、電流以及漏電故障進(jìn)行高效、快速、準(zhǔn)確的存儲，通過軟件設(shè)計的查詢算法用戶可以方便的對歷史故障信息進(jìn)行查詢，對設(shè)備的維護(hù)提供了可靠的依據(jù)。實時時鐘模塊電路以HT1380時鐘芯片為核心，包括晶振電路，帶掉電保護(hù)的電源電路和串行數(shù)據(jù)通信電路，如圖2-16所示。實時時鐘采用HT1380芯片，它是HOLTEK公司推出的一款帶秒、分、時、日、星期、月、年的串行時鐘保持芯片，每個月多少天以及閏年能自動調(diào)節(jié)，HT1380具有低功耗工作方式并用若干寄存器存儲對應(yīng)信息，一個32.768KHz的晶振校準(zhǔn)時鐘，為了使用最少引腳，HT1380使用一個1/0口與微信息處理機相連，僅使用三根引線(1)RST復(fù)位；(2)SCLK串行時鐘；(3)I/0口數(shù)據(jù)就可以傳送1字節(jié)或8字節(jié)的字符組。因而，HT1380是一種性價比極高的時鐘芯片，它可以為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間信息。HT1380的掉電保護(hù)電路包括D1,D2,D3三個二極管，穩(wěn)壓電容，以及供電電池。正常電網(wǎng)上電時，開關(guān)電源+5V經(jīng)過D1后加到HT1380的VCC,此時VCC>4.3V,D2,D3關(guān)斷，即電池不供電；當(dāng)電反向截止，電池只對HT1380供電，延長電池使用時間。2.6.6電源模塊的設(shè)計智能保護(hù)單元的電源電路包括電網(wǎng)供電電路和電池供電電路。這兩種供電方式可以由撥檔開關(guān)進(jìn)行切換。當(dāng)電網(wǎng)上電運行時，應(yīng)采用電網(wǎng)供電方式，此時控制單元由中繼開關(guān)電源供電；當(dāng)系統(tǒng)停止運行，要求對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定的時候，按照煤礦安全操作規(guī)程，在井下不允許帶電打開隔爆外殼，這就要把供電方式切換成電池供電，此時控制單元由外置的蓄電池供電。為防止蓄電池電極短路，蓄電防止蓄電池電極短路產(chǎn)生事故。統(tǒng)識別當(dāng)前為電池供電方式，從而關(guān)閉不必要的服務(wù)程序，如禁止合分閘操作等，只允許鍵盤和顯示操作，從而確保完成參數(shù)整定。本章根據(jù)智能保護(hù)單元各保護(hù)功能的要求，設(shè)計了煤礦井下電氣設(shè)備的智能保護(hù)單元的硬件電路，分別設(shè)計了保護(hù)單元微處理器的最小工作系統(tǒng)、模擬量信號采集電路、開關(guān)量的輸入輸出電路、人機交互電路模塊以及漏電閉鎖等功能電路模塊，詳細(xì)闡述了硬件電路的工作原理，并且對所設(shè)計的硬件電路進(jìn)行了實驗室模擬實驗，均能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行可靠的控制與保護(hù)。3智能保護(hù)單元的軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的指揮中心，性能優(yōu)良的軟件是保證智能保護(hù)單元高效、可靠、安全工作的技術(shù)保障，智能保護(hù)單元的軟件設(shè)計也是本論文的核心部分之一。本設(shè)計采用PIC單片機的匯編語言進(jìn)行編寫，它具有精簡的指令集(35條指令)、尋址方式簡單、運行速度快等優(yōu)點，這些給軟件設(shè)計帶來了極大的便利。此外，采用匯編語言進(jìn)行編程可以充分利用其高效、高速和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點可以進(jìn)行實時可靠的控制。本設(shè)計程序的編寫調(diào)試均在Microchip公司推出的MplabIDE現(xiàn)程序的調(diào)試在線調(diào)試和程序的單獨燒寫。作為在線調(diào)試器，它可以在線觀測并修改文件寄存器的內(nèi)容，可以在計算機上直觀的觀測到文件寄存器內(nèi)容的變更，可以設(shè)置一個斷點，斷點的功能是可以讓程序執(zhí)行到斷點處便停止，這為程序的調(diào)試帶來極大的方便，利用這一點加上我們軟件模塊化的設(shè)計思想可以在調(diào)試時很輕松的找到程序出錯的地方；它支持軟件的單步運行和塊單步運行。單步運可以實現(xiàn)多種調(diào)試目的，例如，可以使用該功能來觀察程序分支的在使用這個功能時系統(tǒng)將跳過子程序的調(diào)用過程，直接執(zhí)行到調(diào)用直接看到調(diào)用的結(jié)果了。假如語句的調(diào)用是沒有必要進(jìn)行分析的延時子程序，那么使用此功能就可以避免陷入單步執(zhí)行煩瑣的循環(huán)過隔1.667ms進(jìn)行一次中斷，中斷由統(tǒng)一的中斷調(diào)度程序進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度，采用軟件工程中的業(yè)務(wù)流結(jié)構(gòu)發(fā)生一次中斷后由調(diào)度程序決定執(zhí)行哪一組任務(wù)，每兩個采樣點之間安排一系列的任務(wù)，并且每組任務(wù)在1.667ms內(nèi)都能執(zhí)行一遍，但是由于本軟件系統(tǒng)配備有人機交互界面，鍵盤顯示程序是所有任務(wù)中最為耗時的程序，它的執(zhí)A、C、F、I、J、L:數(shù)據(jù)采集B:讀鍵碼D:讀當(dāng)前時間E:分合閘操作G、H:漏電檢測準(zhǔn)備K:故障檢測M:A相電流濾波N、P、S:遠(yuǎn)控檢測0:B、C相電流濾波Q:電流保護(hù)準(zhǔn)備R:電流保護(hù)檢測主回路電流狀態(tài)T:漏電檢測U:電壓保護(hù)V:聯(lián)控W:關(guān)中斷X:漏電顯示Y:鍵盤顯示圖3—1任務(wù)分配T任任務(wù)任務(wù)n任務(wù)9任務(wù)8任務(wù)任務(wù)任務(wù)任務(wù)2任務(wù)結(jié)束秒級，經(jīng)實驗和現(xiàn)場的使用情況來看是不影響系統(tǒng)的實時性能的，因此這種方法是切實可行的。每一組任務(wù)都是一個功能模塊，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、通訊模塊、聯(lián)控模塊、時鐘模塊、故障存儲及查詢模塊和鍵盤顯示模塊等，以上各個功能模塊在主程序的統(tǒng)一調(diào)度下完成各自的功能，主程序流程圖和中斷服務(wù)程序流程圖如圖3-2和3-3所示，各個功能模塊的實現(xiàn)方法將在后續(xù)章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)的介紹。3.2系統(tǒng)各功能模塊的軟件設(shè)計3.2.1模擬信號采集模塊模擬信號有A相電流信號、B相電流信號、C相電流信號、電壓信號、絕緣檢測信號、遠(yuǎn)控信號和甲烷信號，這些信號經(jīng)模擬多路的A、B、C分別與PIC16F877A的RA1、RA2、RA3相連，通過這三個82號、絕緣檢測信號、遠(yuǎn)控信號和甲烷檢測信號。I/07腳暫時沒有應(yīng)用，待以后進(jìn)行功能擴展時使用。這七路信號均為0～1V的模擬電，我們選擇電阻為12.35千歐，使其增益為5倍，這樣就把0～1V的電壓信號放大5倍成為0~5V的電壓信號并送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，877A屏蔽W高五位N通6通道8通道通道通道1通道a通道圖3—5模擬通道選擇子程序流程圖范圍而引起程序在查表時跳轉(zhuǎn)不正常，這樣的做法使程序的可靠性的到了提高。這種程序查表的程序結(jié)構(gòu)是一個非常典型程序結(jié)構(gòu)，在軟件工程中被稱作是業(yè)務(wù)流的程序結(jié)構(gòu)，程序采用的尋址方式是程序空間的間接跳轉(zhuǎn)的尋址方式，即直接改變程序計數(shù)器PC的值來實現(xiàn)程序空間的跳轉(zhuǎn)，間接跳轉(zhuǎn)通過PIC單片機的指令運算來改變PC的當(dāng)前值，以實現(xiàn)程序空間的間接跳轉(zhuǎn)[10]。產(chǎn)生查表地址很多系統(tǒng)的設(shè)計中都要求提供模擬信號的輸入和檢測功能，這把輸入的連續(xù)變化的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換PIC16F877A單片機內(nèi)部就集成了ADC模塊，最多有8個A/D轉(zhuǎn)換通道，精度為5000z0-1~5mv,,只要有5mo電壓它的ADC模塊就能識別，輸入/輸出方向控制寄存器TRISX寄存器的正確設(shè)定，另外，如果需在本設(shè)計中三相電流、電壓以及絕緣電阻采樣完畢以后存入指定的緩沖區(qū)內(nèi)，為了保證采樣結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，在一個采樣周NYNYNY期內(nèi)采樣多組數(shù)據(jù)，然后必須要對這幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理。根據(jù)本控制裝置的工作環(huán)境來看，工作在煤礦井下，由于井下大型設(shè)備種類繁多，各種脈沖干擾也很多，因此在本設(shè)計中采用能夠抑制脈沖干擾的濾波算法即防止脈沖干擾的平均濾波法。首先要將采樣的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的緩沖區(qū)內(nèi)，具體的分配如圖3-7所示，采樣進(jìn)來的十位數(shù)據(jù)分別存入兩個字節(jié)的單元內(nèi)，這里的式(3-1)中Tazm為將要設(shè)計的溢出周期為1.667ms,F為系7,PR2為周期寄存器的初值為所求，由上式計算出PR2為237。這樣就得到了每隔1.667ms的采樣周期時序。3.2.2開關(guān)量輸入輸出處理模塊開關(guān)量是指只有兩種狀態(tài)的變量，斷路器的開合狀態(tài)就是一種開關(guān)量，還有一些開關(guān)信號比如啟動信號、停止信號等，這些開關(guān)狀態(tài)必須要經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換電路將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號才能被處理器所識別，我們知道處理器里面的信號都是以數(shù)字量的形式出現(xiàn)的，將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量就非常方便的由處理器對這些開關(guān)量信號進(jìn)行判斷處理。在智能控制單元的設(shè)計中，使用一些選擇信號、開關(guān)信號以及一些返回信號作為開關(guān)量輸入部分，用來產(chǎn)生一些能夠被軟件所能查詢到的信號。開關(guān)量輸入部分的開關(guān)量信號經(jīng)過光電耦合器分別進(jìn)入8255A的A口和B口，具體的信號有：a.開關(guān)量輸入◆PA0)近控：單刀雙擲開關(guān)相連(通);遠(yuǎn)控：單刀雙擲開◆PA2單機選擇：單刀雙擲開關(guān)相連(不通);聯(lián)控選擇：PA3電池供電。(2)第一片8255A的B口。近起：采用主令開關(guān)。急停：采用主令開關(guān)。合閘還是斷開?；匾粋€開關(guān)量。檢漏回路返回：漏電檢測繼電器在發(fā)生漏電試返從機狀態(tài)返回。試驗返回。b.開關(guān)量輸出：電流保護(hù)是智能保護(hù)單元的主要保護(hù)功能之一，它主要完成的是電流值的檢測，并根據(jù)電流值的大小判斷是否發(fā)生了短路、過載和缺相等電流故障，并完成相應(yīng)的保護(hù)和顯示功能[1]。電流保護(hù)的具體步驟是：短路和過載保護(hù)的動作是根據(jù)電流的最大值來判斷的，也就是說當(dāng)三相電流的最大值發(fā)生了短路或過載故障時保護(hù)器就要進(jìn)行動作。缺相保護(hù)是在電流信號中的最大和最小兩相相差0.58倍時視為缺相故障，因此在程序的判斷過程中都是針對最大值和最小值來進(jìn)行比較判斷的。首先就要將采樣進(jìn)來的三相電流信號進(jìn)行比較之后存入指定的寄存器中，比較程序采用兩兩比較的方法，其程序流程對采樣進(jìn)來的三相電流信號進(jìn)行比較處理后要將它轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，Ie在計算過程中是采用浮點數(shù)來進(jìn)行計算，在本設(shè)計中的浮點數(shù)是采用三字節(jié)形式。轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)后就要將它乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)變成回路電流以待處理，采樣進(jìn)來的信號為10位二進(jìn)制的定點數(shù)表示NYYNYNN電流變送器最大轉(zhuǎn)換電流對應(yīng)的一次電流/1024,那么10A對應(yīng)的一次電流為4000A,那么轉(zhuǎn)換系數(shù)就為,轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)相的電流以浮點數(shù)的形式乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)7AHOOH80H就變成主回路這一相的實際電流大小的浮點數(shù)形式。轉(zhuǎn)換完畢后存入指定的緩沖區(qū)中準(zhǔn)備實時顯示以及和保護(hù)系數(shù)進(jìn)行比較處系統(tǒng)的額定電流Ie是可以在菜單中進(jìn)行設(shè)置的，對不同的額定電流下的保護(hù)動作值是不一樣的，因此對1.2Ie、1.5Ie、6Ie、8Ie保護(hù)參數(shù)的計算將是初始化階段的主要任務(wù)之一。間時，即表示發(fā)生了某一種故障，發(fā)生故障后會置此故障標(biāo)志，當(dāng)3.2.4電壓保護(hù)模塊電壓保護(hù)也是智能保護(hù)單元的主要保護(hù)功能之一，它主要完成的是電壓值的檢測，并根據(jù)電壓值的大小判斷是否發(fā)生了過壓、欠壓故障，并完成相應(yīng)的保護(hù)和顯示功能。NNNYYN允許電流保護(hù)YNN平NNBN班時2分到NYNY志回a.采樣電壓處理由于電動機過壓、欠壓時三相是同時變化的，因此電壓只檢測一相。首先將采樣進(jìn)來的十位定點數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)，然后在乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)變成實際的主回路電壓進(jìn)行處理。電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)跟電流轉(zhuǎn)換壓分別為40×47.5=1900V和40×27.5=1100V,對應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)為b.保護(hù)參數(shù)初始化系統(tǒng)的額定電壓Ue是通過改變變壓器一次側(cè)抽頭來實現(xiàn)的，無論電壓等級是1140V還是660V變壓器的二次側(cè)抽頭的電壓都是不變的24V。但是對不同的額定電壓下的保護(hù)動作值是不一樣的，因此電壓保護(hù)的動作值0.75Ue和1.15Ue須在初始化階段計算完畢。NYYNNYNYYNYNNYNY返可由于保護(hù)器的工作電壓有1140V和660V兩種，因此保護(hù)程序也要分成兩部分處理，1140V電壓保護(hù)的流程圖如圖3-10所示660V的保護(hù)程序大體上跟1140V的保護(hù)程序類似只是動作系數(shù)不同而已，因此不在詳細(xì)介紹。保護(hù)程序都是電壓信號采樣近來以后經(jīng)過濾波處理存入相應(yīng)的緩沖區(qū)以后開始執(zhí)行的。主要采用浮點數(shù)比較的算法進(jìn)行電壓故障的判斷，故障系數(shù)都是事先計算好以后存放在變量定義中的，用到時直接以立即數(shù)的形式直接使用，這種定義的方法可以使軟件靈活可靠，只要在變量定義改變相應(yīng)的位就可以實現(xiàn)動作倍數(shù)的改變，而沒有必要在程序段中去逐個修改。3.2.5漏電閉鎖保護(hù)模塊絕緣檢測模塊主要完成的就是在真空接觸器吸合之前或斷開之后對電機繞組部分電纜進(jìn)行絕緣檢測，如果檢測到絕緣電阻值低于動作值，那么漏電閉鎖保護(hù)動作，禁止啟動并發(fā)出報警信號，液晶顯示屏給予顯示漏電故障以及漏電故障值，當(dāng)主回路的絕緣電阻恢自動恢復(fù)漏電閉鎖保護(hù)此時允許真空接觸器合閘。當(dāng)處于主回路剛剛斷開后的狀態(tài)時，漏電閉鎖保護(hù)要在10秒以后投入。當(dāng)啟動前沒有漏電故障時，系統(tǒng)正常啟動并且真空接觸器吸合以后漏電閉鎖保護(hù)就不投入了。此時的漏電保護(hù)功能應(yīng)該由上一級的饋電開關(guān)來完成。漏電閉鎖保護(hù)功能是由軟件查表的形式來實現(xiàn)的，采用附加直電機的三相繞阻與大地之間形成回路，如果線路對地的絕緣電阻發(fā)生了變化那么采樣點電壓就產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過這種方法就能實時檢測電機部分對地的絕緣電阻，在檢測線路上串聯(lián)一個真空接觸器的常閉觸電，在真空接觸器的線圈上串聯(lián)一個檢漏輸出的常閉觸電，這樣就實現(xiàn)了閉鎖功能[22]。檢漏的等效原理圖如圖3-12所示，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文40通過轉(zhuǎn)換得到Rx的函數(shù)圖3-12絕緣檢測等效電路U12333.2.6.1故障存儲年信息月信息日信息時信息分信息故障類型信息1使用I2C總線協(xié)議的芯片獨有的ID,后面的0000為用戶通過接線規(guī)定的引腳設(shè)定地址，它是用來區(qū)別在一條I2C總線上出現(xiàn)很多具芯片故將它設(shè)置成“0000”,“A”為應(yīng)答信號，是由被控器給主控的256個單元，這樣FM24C64芯片8K的存儲空間都能夠?qū)λM(jìn)行寫操作。NY建立停止信號時序返回故障存儲時由于外部信號的干擾很有可能使存儲的信息發(fā)生與實際期望的不符的情況，為了避免這種情況的發(fā)生在軟件設(shè)計中采每一次存儲完一條故障信息以后，立即調(diào)用讀存儲器子程序把存入的數(shù)據(jù)求和，然后與讀出的數(shù)據(jù)的和進(jìn)行比較，如果一致就認(rèn)為已經(jīng)存儲正確如果不一致就讓程序重新存儲一遍直到存儲正確為止。故障存儲是為故障查詢服務(wù)的，他為技術(shù)人員提供了一個很好的平臺來了解歷史故障信息，為設(shè)備維護(hù)提供良好的依據(jù)。用戶只需用鍵盤輸入查詢的日期，系統(tǒng)就會模糊匹配到與查詢?nèi)掌谧罱乃?，從?dāng)前存儲位置開始向前順序查詢，模糊匹配取得最佳的匹配數(shù)據(jù)，若年月日均匹配為最佳的匹配數(shù)據(jù)，若日不匹配則選年和月都匹配的，若日和月都不匹配則選年匹配的，若年、月和日都不匹配則顯示最近的一次故障記錄。NYY車已有匹配標(biāo)志=NNNNY過程結(jié)束),如果不匹配指針向前直到匹配為止。得到故障信息的位障時間。認(rèn)”四個按鍵?！跋蛏稀薄ⅰ跋蛳隆卑存I可以上下查詢相鄰的故障記錄，“返回”鍵按下可以回到查詢屏幕，“確認(rèn)”鍵按下可以返回運行屏。實時時鐘是智能電器的必要組成部分，在智能控制單元中有著十分重要的作用，時鐘模塊可以為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時鐘基準(zhǔn)，用戶可以通過鍵盤進(jìn)行時間設(shè)定，復(fù)位從新運行后就可以在運行屏上觀看時間顯示。另外，時鐘還可以為故障查詢提供準(zhǔn)確的時間，它作為故障查詢的入口參數(shù)，輸入年月日就可以查詢相應(yīng)的故障信息。時鐘采用HT1380芯片，HT1380的內(nèi)部寄存器有八個分別為秒、分、時、日期、月、日、年和寫保護(hù)寄存器，對它們操作的命令字節(jié)從80H～8FH分別為讀和寫命令字節(jié)，用另外在內(nèi)存中開辟了一個緩沖區(qū)用來存放秒、分、時、日期、月、日、年和寫保護(hù)寄存器的內(nèi)容。后時鐘就可以正常運行了。畢以后將時鐘信號拉高，在時鐘的上升沿期間進(jìn)行這一位的數(shù)據(jù)的傳輸，然后在把時鐘線拉低準(zhǔn)備發(fā)送或接收下一位數(shù)據(jù)。鍵盤顯示模塊是人機對話的重要途徑，在設(shè)計中為了節(jié)省處理器的程序存儲器的空間，免去大規(guī)模字庫編寫的所要占用的程序空液晶顯示模塊，鍵盤采用貼片式4×4鍵盤，操作方便可靠。在這個智能保護(hù)單元中，我們采用了矩陣式鍵盤，按鍵包括菜單鍵、返回鍵、上、下鍵、確定鍵以及十個數(shù)字鍵。圖3-19鍵盤結(jié)構(gòu)在設(shè)計中鍵盤采用列掃描讀行碼的方法，如圖3-19所示鍵盤由8255A的PC口控制，高四位設(shè)定為輸入低四位設(shè)定為輸出，PC7~定義為列碼，讀鍵碼時首先看是否有鍵按下，通過低四位也就是列碼輸入1111看行碼是否為0000,如果此時的編碼為“列OCMJ4*8B_2的接口協(xié)議采用請求/應(yīng)答握手方式。應(yīng)答B(yǎng)USY高0CMJ空閑，等待用戶命令。發(fā)送命令可在BUSY=0后的任意時刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放在數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平REQ信號通知0CMJ請求處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)。0CMJ在收到外部REQ信號后開始處理發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，對模塊的寫程序如下所示：NOP_55_1Cs_55_2Cs本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計方法、應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境以及系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，并對各功能模塊分別予以詳細(xì)說明。該應(yīng)用程序的監(jiān)控程序根據(jù)智能保護(hù)單元的保護(hù)、控制要求，采用作業(yè)順序調(diào)度的設(shè)計原則進(jìn)行編程，通過調(diào)用模塊化子程序，來完成煤礦井下電氣設(shè)備的各種保護(hù)及控制功能。采用三字節(jié)浮點數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了運算精度。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方法，不但便于編寫、查錯、測試和修改，而且能提高編程效率和運行的可靠性。4智能保護(hù)單元的抗干擾設(shè)計可靠性是用電設(shè)備的基本要求之一，也是所有控制單元最基本所以會存在這兩個方面的隱患是因為電磁干擾的存在。因此為了保障控制單元可靠的工作，除了采用合適的保護(hù)原理外，本章主要考慮抗干擾設(shè)計。系統(tǒng)干擾的主要來源有以下幾點：a.供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵的主要途徑；b.系統(tǒng)接地不良也是引入干擾的主要原因；c.電流、電壓互感器、輸入輸出線路的絕緣不良等，均有可能引入干擾；d.在進(jìn)行系統(tǒng)操作，或是操作隔離開關(guān)等時，系統(tǒng)的主接線形式及參數(shù)將發(fā)生變化，在系統(tǒng)中形成電磁暫態(tài)過程，造成高頻電磁場干擾；e.以場的形式入侵的干擾主要發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場的附近，它們通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式耦合在單片機控制系統(tǒng)中式耦合在單片機控制系統(tǒng)中。形成電磁干擾的原因有諸多方面，同一電力系統(tǒng)中的各種電力設(shè)備通過電和磁緊密的聯(lián)系起來，相互影響，由于運行方式的改變、故障、開關(guān)設(shè)備的操作等引起的電磁振蕩會對智能控制單元產(chǎn)生影響；另外，智能保護(hù)單元工作在環(huán)境惡劣的煤礦井下，空氣非常潮濕，到處充滿著煤塵，電磁干擾尤為嚴(yán)重。保護(hù)單元在工作時不僅源，比如負(fù)載上電流的頻繁變化和通過導(dǎo)線空間進(jìn)入單片機系統(tǒng)內(nèi)部，造成程序跑飛，使系統(tǒng)工作不正常，甚至損壞系統(tǒng)。所以對智能保護(hù)單元各個部分的抗干擾性能提出了較高的要求，尤其是單片機系統(tǒng)的抗干擾問題。因此，在整個智能保護(hù)單元的研發(fā)過程中，始終將抗干擾性能作為系統(tǒng)設(shè)計時首先考慮的問題之一。硬件抗干擾具有效率高、實時性強等優(yōu)點，本智能保護(hù)單元主要從以下幾方面采取抗干擾措施：4.2.1印刷電路板的抗干擾設(shè)計a.模擬地和數(shù)字地分開。這樣可以減少模擬電路和數(shù)字電路間的干擾。b.加粗接地線。這樣可以減少內(nèi)阻，平穩(wěn)單片機的電平信號，提高抗噪聲的性能。所以在設(shè)計的時候，應(yīng)盡量加粗接地線。在本課題中選用的地線寬度最細(xì)為40mil。c.接地構(gòu)成閉環(huán)路?？s小地線產(chǎn)生電位差，提高抗噪聲能力。電源線的布線除了要根據(jù)電流的大小，加粗導(dǎo)體寬度外(該系統(tǒng)中的最細(xì)的電源線寬度為40mi1),盡量使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)線方向一致，將有助于增強數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力。a.電源的輸入端跨接100μF電解電容。b.在每個集成電路芯片的電源輸入端與接地端間都安置一個0.1μF的陶瓷電容。印刷電路板大小要適中，過大時，印刷線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也會隨之提高：過小，則散熱不好。同時易受鄰線條的干擾。在布置器件的時候，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放的靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果，晶振及時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計算機邏輯電路，盡量另做電路板。另外在電路放置的時候，將發(fā)熱量大的器件放在上方。4.2.2信號輸入通道的抗干擾設(shè)計輸入部分進(jìn)入主機。光電耦合器的原邊是一個發(fā)光二極管，副邊是一個光敏三級管，以光作為媒介傳輸信號，原邊和副邊之間完全沒有電的聯(lián)系。光電耦合器的主要優(yōu)點是抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，共模抑制比，抗干擾能力強，不受磁場影響，不需要屏蔽。4.3智能保護(hù)單元的軟件抗干擾設(shè)計上一節(jié)主要介紹了硬件抗干擾設(shè)計，但是軟件抗干擾設(shè)計也尤為重要，因為無論在硬件上做出多少防范措施都不能保證CPU內(nèi)部不受到任何干擾，尤其是在以微處理器為核心的設(shè)備中，由于外部行的錯誤或者數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確。如果更為嚴(yán)重一點程序計數(shù)器受到干擾，造成數(shù)據(jù)碼被當(dāng)作指令碼，相反其結(jié)果會破壞RAM存儲器中的數(shù)據(jù)，另一方面會產(chǎn)生程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)的現(xiàn)象。本節(jié)主要介紹智能控制單元軟件抗干擾的措施：a.增加看門狗監(jiān)視程序為了防止程序運行出錯導(dǎo)致CPU進(jìn)入死循環(huán)或飛掉，充分發(fā)揮處理器集成看門狗模塊的功能，在程序燒寫之前在開發(fā)環(huán)境中開放看門狗功能，如圖4—1所示，在MPLABIDEv7.10中將Configure項中的WatchdogTimer項設(shè)置成on狀態(tài)，然后在燒寫程序就啟動了看門狗程序，在程序由于外屆干擾而進(jìn)入死循環(huán)后看門狗程序就會在18ms后使程序自動復(fù)位從頭開始執(zhí)行以跳出死循環(huán)。中斷服務(wù)程序開始-----Cπb.軟件陷阱程序跑飛后有可能落在程序存儲器中的任何位置，可以采用軟件陷阱的方法把程序空間中的空白空間填充如下指令：當(dāng)程序跑飛跳到這條指令時便使程序陷入死循環(huán)，然后等待看門狗計數(shù)周期的到來，使程序自動復(fù)位。使用PIC單片機的fill偽指令可以進(jìn)行軟件陷阱的設(shè)置，它可以實現(xiàn)對程序空間連續(xù)自動的填充某一特定的指令數(shù)據(jù)，例：就實現(xiàn)了從當(dāng)前地址到標(biāo)號NEXT