矿用组合开关用综保接口模块的设计

李瑞

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

矿用组合开关用综保接口模块的设计

李瑞

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

针对集中式和分立式综保的局限，设计了集中控制各个分立综保的接口模块，介绍了该模块的结构，详细介绍了该模块的硬件电路和软件流程。测试结果表明，该设计能满足现场运行的要求。

煤矿;组合开关;接口

1 引言

随着煤矿井下生产能力和自动化程度的不断提高，对采掘工作面设备的控制已由独立开关发展到了组合开关［1］。组合开关将多个用电设备的开关控制回路以及监控主控制回路集中起来，简化了电缆连接，减少了生产安装和维护的工作量，特别是方便了综采完毕后的快速移面，提高了生产效率［2］。组合开关的综保对各路开关的电气参数、运行参数、故障信息等进行监控或保护［3］。集中式的综保，接线复杂，维护麻烦;分立式的综保难于解决各回路的耦合控制。采用集中和分立相结合的方式为较佳选择，为此，本文结合嵌入式技术和总线技术设计组合开关用接口模块实现集中控制分立的综保，分立的综保实现现场设备运行参数采集、运行状态在线监控以及故障保护［1］。

2 接口模块的构成

接口模块是由多个电路组成的模块化结构，如图1所示。

主控板主要由控制单元、电源电路、先导电路、CAN收发电路、键盘接口、语音报警电路、开关量输入端口、复位电路组成。

接口模块通过CAN总线与各个分立综保构成完整的控制系统。CAN总线具有高性能和可靠性的特点，为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了技术支持。

图1 接口模块的结构图

3 硬件电路

3.1 控制单元

控制单元选用嵌入式芯片LPC2378作为主控芯片。LPC2378是一款基于ARM的处理器，具有512KB的 FLASH，CAN、I2C、SPI等接口［4］，简化了外围电路。

3.2 电源电路

先导电路是控制主回路开合时最先接收指令的控制电路，必须是本质安全型的［5］。选用DC15V的本质安全型电源，DC15V本质安全电源一方面给先导电路供电，一方面经过DC/DC模块转换成5V电源给键盘接口供电。

3.3 先导电路

先导电路由信号产生电路、信号采集电路、信号鉴别和执行电路组成［5］。该电路能采集先导的启动、停止、电缆短路或断路、二极管接反等状态。在控制电缆出现短路或断路时，先导电路能防止误启动。

3.4 CAN收发电路

各个分立综保通过CAN总线主动发送故障信息，其他信息则被动发送。CAN收发电路原理图如图2所示，利用LPC2378的片内CAN总线控制器，外加CAN收发器MCP2551完成CAN通信收发电路。在引脚CANH和 CANL之间并联一个120Ω的终端电阻［6］，可以解决远近端阻抗不匹配的问题。ADUM1201起隔离作用。

图2 CAN收发电路原理图

3.5 键盘接口

采用简洁、美观、耐用的金属键盘作为人机交互的输入设备。金属键盘与控制单元之间采用光电耦合器，实现信号隔离。

3.6 语音报警电路

语音报警电路选用ZY1730模块作为主芯片。LPC2378通过片内四线SPI接口来实现对ZY1730的串行通讯。SP+和SP-通过功放驱动扬声器。语言报警电路如图3所示。

图3 语言报警电路

3.7 复位电路

看门狗、JTAG、手动均能引起控制单元复位，复位电路原理图如图4所示。

图4 复位电路原理图

3.8 开关量输入端口

8路开关量输入端口用于检测隔离开关状态，采用光耦芯片实现光电隔离。

4 软件设计

接口模块的主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

模块初始化主要包括晶振初始化、I/O端口初始化、总线模块初始化等。

根据煤矿井下采煤工作面设备运行实际，控制系统须实现单机控制、顺序控制［1］、双速控制等多种控制方式。在单机控制方式下运行时，各个分立综保相互独立，单独控制各自回路的运行;接口模块分别控制各个分立综保，进行各回路的启动和断开操作。选用顺序控制方式时，接口模块依次延时发送启动命令给顺序控制回路的分立综保，以启动对应回路。在这个过程中，任意一个回路启动失败，则停止启动过程并停止已启动的回路。若任意回路发生故障，则其他所有回路立即断开。双速控制用于启动带有双速电机的回路，低速先启，高速后启。启动过程中，低速过程不能满足延时或电流原则，则不会转到高速过程。

先导状态主要有启动、停止、控制电缆短路和断路以及二极管接反等。

通过CAN总线，各个分立综保与接口模块进行信息交换。接口模块循环读取各个回路的电流值、电压值、功率值、电量、绝缘值等信息;接口模块写额定电流值、短路倍数、启动、停止等信息给分立综保;分立综保把故障信息主动写给接口模块。接口模块接收到故障信息后，通过SPI接口输出语音信号。语音信号报告报警铃声和故障类型。

键盘用于选择控制方式、设置定值、故障复位。

6 结语

矿用组合开关用综保接口模块能准确、及时地与分立综保交换数据，准确、可靠地启停各个回路。经过反复调试和测试，结果表明，总线通信过程数据误码率低，响应速度快，可以动态增加和减少分立综保的数目。该接口模块能够满足现场运行的要求。

［1］ 朱成杰，欧阳名三，高俊岭．基于嵌入式系统的矿用组合开关控制系统的设计［J］．工矿自动化，2009(4):65－68．

［2］ 冯川放．基于ARM11的矿用大容量组合开关控制系统的设计［J］．长春工程学院学报(自然科学版)，2010，11(1):41 －44．

［3］ 宋红卫，陈和权．高压防爆开关综合保护器设计及抗干扰研究［J］．工矿自动化，2010(8):102 －105．

［4］ 周立功单片机．LPC2000系列 ARM［EB/OL］．［2012—06—20］．http://www．zlgmcu．com/philips/arm/lpc2300．asp．

［5］ 李思光．新型矿用隔爆兼本质安全型先导电路设计［J］．工矿自动化，2012(6):17－20．

［6］ 史久根，张培仁，陈真勇．CAN现场总线系统设计技术［M］．北京:国防工业出版社，2004．

Design of Interface M odule Used for M ine Assembled Sw itch

LIRui
(Tiandi(Changzhou)Automation Co.，Ltd.，Changzhou 213015，China)

In view of problem of limitations on centralized and vertical comprehensive protector，a interfacemodule with centralized vertical controlling comprehensive protector vertical was designed．Structure of the module was introduced，and hardware and software of themodule were introduced in details．The test result showed that the design can meet the requirements of field operation．

coalmine，assembled switch，interface

TD611

B

1004－289X(2013)03－0041－03

2013－03－10

李瑞(1983－)，男，山东枣庄人，助理工程师，硕士，现主要从事煤矿电气产品的设计与开发工作。