基于ARM 的矿井地面配电柜监测系统设计

2020-08-26孔德明

机电工程技术 2020年7期

孔德明

（晋城宏圣建筑工程有限公司，山西晋城 048006）

0 引言

配电柜在供电系统中起着保护、控制或者通断功能，是矿井供电系统中重要的组成设备。当配电柜内部电力设备过载时通常会出现温度升高；母线与导线接触不良或者接触端氧化时电阻增加，也会导致温度增加。长时间温度增加不仅会导致供电元件老化、损坏，严重时可能会出现导线击穿事故［1-3］。当供电柜发生故障时会导致矿井供电中断，给井下作业人员安全以及正常煤炭开采带来严重影响［4］。

山西某矿地面配备有8台配电柜，电压为35 kV高压电，是矿井供电系统中的核心部分，对确保矿井供电有着决定性作用。现阶段矿井采用人工值守方式，安排2 名工作人员24 h 进行监控，确保配电柜平稳运行。但是，由于人工值守仅能发现表面问题，对配电柜内的设备运行状况无法有效掌握，考虑到配电柜绝大多数故障都会发热，因此，本文提出一种基于ARM的矿井地面配电柜监测系统，采用红外技术对配电柜发热情况进行监测，并将监测结果上传上位机，通过上位机数据分析，实现对配电柜运行状态监测，当发现故障时发出声光报警信息，提示作业人员前去检修，避免出现供电事故。

1 设计方案

1.1 温度监测方式确定

由于配电柜中电力元件处于高温状态，对该类设备进行温度监测难度较大。现阶段专门的用以配电柜温度监测技术并不常见，其中一种是将母线、触头及其连接导线上涂抹一层随温度可变色的材料，通过观测材料颜色来对设备运行温度进行粗略确定，此类方法准确性低，可操作性不强，不能及时发现温度异常，未普及应用；红外热成像技术根据被监测物体辐射的红外强度强弱来对物体温度进行确定，具有不接触、探测范围广、无损等优点，且可以直接确定监测对象的温度分布［5-7］。根据矿井地面配电柜工作环境以及对配电柜监测要求，最终选择红外热成像技术作为监测系统的温度监测方法。

1.2 监测系统结构组成及功能

设计的监控系统可以对地面配电柜内温度异常情况进行监测，出现异常时监控中心内的上位机会发出报警信息。设计的监控系统结构如图1 所示，包括红外摄像头（温度图像采集模块）、控制单元（温度图像控制模块）以及上位机监控中心（数据分析及报警模块）［8］。

图1 监控系统结构

配电柜温度监控系统都会有一个IP 地址，通过以太网与上位机进行数据交换。将安设有红外摄像头的ARM 平台安装于配电柜门内侧，以便对配电柜内电力元件温度情况进行采集。

具体过程为［9］：（1）红外摄像头对配电柜运行温度采集、形成温度图像；（2）图像以点阵形式存储于SDRAM内；（3）通过以太网将温度图像传输至上位机；（4）上位机将接收到的温度分布图像与预存在上位机内部的正常状态下配电柜温度分布图像进行比对。考虑到配电柜运行环境存在差异，因此，分时段分季节采集多组温度分布图像作为标准比对样本图像。当上位机对比发现监测的配电柜内存在温度异常点时，上位机发出声光报警信息，提示相关人员前去检查。

2 硬件设计

硬件结构包括有红外摄像机、微处理器（S3C2400）、图像存储设备、传输设备及监控中心等构成。具体的设备间连接情况如图2所示。

图2 设备间连接示意图

2.1 ARM选择

经过比对，选择S3C2440A 芯片作为处理器，该芯片为32位RISC（ARM920T）处理器，具有能耗低、性能强等优点，运行频率400 MHz，可以满足监控系统要求。

2.2 图像采集模块

该模块采用TC160 机芯，实现温度图像信号获取、存储以及传输等功能，便于上位机对获取图像进行对比，从而实现对温度监测结果预警。TC160 机芯提供有串行图像输入接口，便于与S3C2440A芯片连接。

2.3 以太网接口

接口是进行以太网信息传输的基础，设计的监控系统以太网接口为MD9000 加嵌入式微处理构架。其中MD9000 控制芯片可以实现MAC 层（访问层）以及PHY 层（物理层）功能。具体连接线路如图3所示。

图3 ARM与MD9000 控制芯片连接示意图

网络接口变压器主要功能是将外部线路与嵌入式系统隔离，防止外部电路对元器件工作造成影响，具备带电插拔功能。配电柜内部电磁强度高，在此环境内传输的数据若不保护或者屏蔽必然会导致数据传输问题，采用可屏蔽网线避免出现数据包丢失或者传输信号失真问题，提升信息传输系统的稳定性及准确性。

3 软件构成

3.1 软件设计

操作系统为μC/OS-II 平台，具体包括红外图像采集、存储、封装打包以及传输等任务功能。上位机主要实现红外图像比对，对是否出现温度异常区进行判定，并根据判定结果发出知否报警指令。具体的系统软件结构如图4所示。

图4 系统软件结构

3.2 运行流程

控制软件运行流程为：（1）采集模块工作，对红外探测器内部设备参数进行设定，实现红外图像的采集、图像输出；（2）采集到的图像信息采用点阵式方式存储在SDRAM内部，为图像传输做准备；（3）以太网传输模块首先对DM9000 初始化处理，微处理器对采集数据封装打包，DM9000 对数据MAC组帧后，传输至上位机，传输协议为TCP/IP，采用Socket进程实现对文件传输，整个任务完成均在μC/OS-II平台实现；（4）上位机接收到传输来的各个配电柜红外图像，并通过灰度编码形式呈现，并进行温度图像比对。具体的运行流程如图5所示。