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基于ARM9嵌入式系统的矿用组合开关研究

发布时间:2010/1/11

【摘 要】针对目前矿用电气开关的使用现状,结合嵌入式技术、工业以太网技术,设计了矿用隔爆型组合开关控制系统。应用具有先进嵌入式技术的ARM9芯片和TMS320LF2806芯片来实现系统的控制,文章介绍了该系统的软、硬件设计以及相关的实现方案与算法,系统的实现提高了矿用组合开关的保护和控制水平。
【关键词】嵌入式系统;工业以太网;组合开关

  随着煤矿生产能力的提高,井下机电设备需要越来越多的电气控制开关。煤矿井下单体开关的不断增多给设备安装、维护和升级组网等带来一定的难度,特别是在采煤综采工作面,给快速移面带来了不便。研究高性能的矿用组合开关系统具有重要的现实意义和重大的经济价值。
  本项目结合嵌入式技术、工业以太网技术、传感器技术以及自动控制原理,设计矿用隔爆型组合开关控制系统。采用具有TCP/IP协议进行数据传输的嵌入式组合开关控制系统取代当前功能单一的电气开关,实现分散管理,远程控制,大大提高生产管理效益,具有优良的性价比。

1、ARM嵌入系统

  针对目前矿用电气开关的使用现状与煤矿安全的要求,将具有最先进嵌入式技术的ARM9芯片应用于智能开关,并使用CAN及TCP/IP两种网络协议分别进行通信;建立友好的人机界面,便于显示与操作;实现新的保护原理,实现准确可靠的保护;采用光纤传输,提高抗干扰性和通信距离。系统分为两个部分:
  1)系统主控部分。采用三星公司的$3C2410型ARM9芯片和TMS320LF2806芯片,扩展相应的外围电路,集测量、保护、控制、通讯、记录和显示等功能于一体,系统具有图形显示界面,可显示各分控部分运行状态及故障波形图形,能同时起停控制多台三相交流设备;设计光口和电口电路,采用工业以太网实现远距离程控及数据传输;能用于照明或控制电源的配电,能适应煤矿开关设备组合化、网络化的发展需要,具有较高的性价比,在已有的生产设备的基础上,加以监控装置的软、硬件设计;采用CAN总线协议与分控部分通信,接收各部分运行及故障参数,发送保护设定值;可现场或远程设定保护值;采用电缆或光缆作为网络传输媒介。系统硬件结构主控部分如图1所示。

                 图1 系统主控部分结构图

  2)系统分控部分。对现场设备运行状态进行在线监控,采集运行参数、运行状态,采用新的软件算法进行故障保护;通过CAN总线接口,与主控通信,将采样节点状态及参数传输到主控,并接收主控的指令;本项目采用TMS320LF2806型DSP芯片,具有16路12位高速AD采集口,可满足实时性及准确性的要求。可根据现场需要,自由配置分控的数目及选择运行方式。系统硬件结构分控部分如图2所示。

              图2 系统分控部分结构图

2 、系统主要技术分析

  组合开关采用嵌入式ARM9芯片,CAN现场总线技术、全数字化处理技术、自适应检测技术等。适合煤矿井下交流50Hz电压3300V供电系统。CAN现场总线信号传输采用短帧结构,传输时间短,并有CRC校验及其它检错措施,出错率极低。CAN总线结构简单,设备的连线和信号的往返传输次数减少,提高了系统的可靠性。
  2.1 组合开关具有的关键技术
  1)全数字化处理、控制、保护、液晶中文显示、故障诊断和网络连接,本开关采用具有先进嵌入式技术的ARM9芯片、CAN现场总线技术和使用TCP/IP网络协议进行通信等,控制程序化、多样化,满足煤矿现代化生产需求。
  2)采用系统同步采样,以128次/周期的采样率,直接采集信号处理模块的交流信号,经过自适应滤波和量化处理,消除干扰。能对采样传感器的输入信号进行修正,具有较强的检误抗扰能力。
  3)具有自诊断功能。系统采用集散型分布控制处理结构,每个模块均有自诊断功能和通过局域网实现互诊断功能,同时处理模块采用故障安全措施,确保控制的安全性,并具有故障原因长期记忆查询功能。
  4)大容量组合式结构。大容量、开断能力强的真空开关的选用,确保了组合开关的供电质量和供电的安全性。
  2.2 智能开关保护算法的建立
  系统对过压、过流、欠压、漏电、漏电闭锁、短路、断相、三相电压不平衡、先导闭锁、启动频繁过载、启动频繁、温度异常、启动时间过长等故障进行智能保护。下面以漏电保护为例介绍智能开关保护算法。漏电保护:漏电是煤矿井下电网的主要故障形式之一,约占其总故障的70% ,它不但导致人身触电,还会形成单相接地,进而发展成相间短路,由此引发的电弧会造成瓦斯和煤尘爆炸,因此在煤矿井下电网中必须装设漏电或选择性漏电保护装置。本项目综合现有的选择性漏电保护技术,探索并实现了新的保护原理。分开关采用功率方向性保护原理,利用零序电流和零序电压的幅值和相位进行判断和保护,从而实现选择性漏电保护的要求。
  设电网零序电流为I0、零序电压U0和相位角分别为θI、θv,根据傅立叶算法可求得二者分别为:θI=arctanI0I/I0r,θv=arctanUOI/UOR,IOI、IOR、UOI、UOR 为IO、UO 虚部与实部。


  
  将零序电流超前移项,以基波零序电压为基准,映射到平面上,则构成漏电保护原理的判据方程:
         Pr= UOIIOICOS(θI+θv+π/2)
  对于故障支路总有Pr>0,而对非故障电路总有Pr<0,且故障支路的Pr,值比非故障支路大的多,从而可以准确、可靠的判断出故障支路,实现选择性漏电保护。
  2.3 操作系统的移植与通信协议的建立
  Windows CE是一种压缩的、高效的、可升级的操作系统,针对硬件资源有限,设计了多任务、全优先的操作环境。Windows CE最大的优点是系统比较稳定、实时性好、内存占用少;最大的好处在于界面的通用性,用户容易接收,以及层次性强、可移植性好、组件化可剪裁、强调变成接口和支持上层应用等,同时可以将Windows通用操作系统下的应用程序移植到嵌入式应用系统中。要进行嵌入式系统的应用开发,必须建立一个开发平台,一个基于Windows CE的平台有Windows CE操作系统核组件、OEM适配层、设备驱动程序和组成系统的硬件设备组成。将Windows CE移植到硬件平台上,分成以下四个步骤:
  1)对操作系统进行裁减,配置各个组件并且修改相关的配置文件。
  2)开发目标设备系统上的设备驱动程序,建立定制的Windows CE操作系统映像文件。
  3) 将目标文件下载到目标设备上进行调试。
  4)定制操作系统内核后,导出平台SDK,供在Embedded Visa1 C+ +中开发上层应用软件。移植流程见图3。
图3 Windows CE移植流程图
Windows CE的网络通信基于一个按层组织的网络堆栈,网络堆栈实际上是wind。ws CE的一个组件,它负责对网络中的数据传输进行处理,将来自于应用程序的数据分解成若干的小段,并为每小段加上相关地址和段的分割信息,组成可以存储转发的信息包,信息包中的地址确保数

  据达到最终的目的端点。访问网络堆栈有如下三种方式:WinSock端VI套接字方式;WinlnetAPI方式;CIFS重定位器方式。Windows CE通过对远程访问服务RAS客户的支持,允许基于Windows CE的设备与远程主机建立连接。(见图3)

           图3  Windows CE移植流程图

3 结论

  本文设计的矿用组合开关体积小、接线简单、事故点少容易检修,且考虑了井下煤矿这一特殊环境,采用了多种软硬件抗干扰技术,提高了设备的稳定性和安全性。人性化的人机界面,方便了工作人员的监控和管理,同时将开关信息及时传送到监控中心,提高了煤矿的现代化管理水平,提高了生产效率。

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