基于ARM处理器的矿井供电监控分站设计应用

赵彦峰

(山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西 太原 030022)

0 引 言

矿井供电系统为井下生产工作的动力源头，由于井下环境复杂，空间狭小，供电设备工作不稳定，故障发生时不容易排查，对煤矿供电安全带来极大的威胁[1-2]。近年来，煤矿供电监控技术得到了革新与改进，自动化水平逐渐提高，供电系统误操作与信息传输错误等问题的发生概率不断降低，保障了矿井供电网络的安全与稳定[3-4]。目前，大多数煤矿采用微机保护系统实现供电网络的监控，保护方式与技术已相对成熟，达到国内外一流水平，但是设备之间信息共享不完善，监控分站仅完成信息中转功能，缺乏故障判断、数据分析与人机交互等功能[5-6]。因此，设计一种智能监控分站，完善监控功能，对煤矿安全生产具有重要意义。

1 监控分站设计目标

1.1 电力监控系统组成

供电网络监控系统按照功能与位置特点可以分为地面监控层、通讯层与现场设备层，监控系统结构示意图如图1所示。

图1 供电监控系统结构示意图

地面监控层指地面的监控中心，包括上位机、服务器、打印机、电源等设备，基于Windows系统，配置组态软件满足系统实时监测与信息共享的需求。通讯层主要有以太网交换机与监控分站组成，其中监控分站安装于各变电所，实现现场设备层、地面监控中心与各监控分站之间的通信连接，监控分站与地面通过以太网实现信息传输，分站与现场设备通过串口通信实现信息传输。现场设备层为系统的最底层，包括各配电柜的配电开关、高低压保护装置与各类传感器设备等，负责供电网络的数据采集与保护等功能。

1.2 监控分站实现功能

供电监控分站应当实现供电网络的参数采集、实时监控、及时报警与信息存储等功能，具体如下：

(1) 参数采集功能，系统通过设备层的各类传感器采集供电网络中各回路的电压、电流、功率等参数，通过串口通讯与以太网等方式，将数据传输到监控分站与地面监控中心。

(2) 实时监控功能，监控分站利用处理器的计算能力，对采集到的数据进行分析处理，判断供电网络是否故障。

(3) 报警功能，当系统检测到参数超限后，及时控制保护器动作，切断故障回路，将故障信息自动记录，并显示于交互窗口。

(4) 信息存储功能，煤矿供电网络24 h工作，监测数据与执行记录较多，系统具有数据暂存功能，将1个月以来的数据保存到系统的存储区，超过一个月的数据存放于云端服务器，在查询记录的时候，系统通过报表与曲线的方式对故障数据加以区分表示。

2 智能监控分站设计

2.1 分站整体设计

传统监控分站只具备信息中转功能，本文设计的监控分站结构如图2所示，包括主控模块、存储模块、显示模块、RS485参数采集模块与以太网交换机模块等。

图2 监控分站整体结构图

监控分站通过RS485参数采集模块与设备层的智能传感器等设备连接，实现电网运行参数的信息传输功能，利用主控模块对采集数据进行处理与分析，判断各电网回路是否发生故障及故障类型，通过继电输出模块控制各保护装置动作，将故障回路的切断，通过显示模块可在井下实现人机交互功能，保证系统就地控制的即时性与可靠性，通过以太网交换机模块实现各监控分站与地面监控中心的组网功能，保证信号远距离传输的稳定性与准确度。

2.2 分站主控模块选型

主控模块包括电源单元与处理器单元，是监控分站的核心模块，完成与参数采集模块的数据交互，实现故障数据的逻辑判断与保护控制。处理器单元需要处理数据，为硬件电路提供脉冲与时钟信号，接收与执行上位机指令，监测各终端设备的运行状态。本文选择基于ARM控制器的STM32F429VGT6处理器，采用哈弗结构，主频169 MHz，具有高速数据处理能力，功能集成度高的优点，较好的适应煤矿复杂工况环境[7-8]。电源单元为分站中的处理器单元、显示模块及通讯模块等供电，电源单元选用K7805模块与AMS1117-3.3芯片，分别输出5 V与3.3 V的直流电源。

2.3 分站外围模块设计

RS485参数采集模块为分站的主要的数据输入模块，直接对接传感器设备，传输电网参数，并向各保护器执行单元发送控制指令。RS485接口电路如图3所示。

图3 RS485接口电路

存储模块包括EEPROM存储模块与SD存储模块，前者用于存储系统设置与控制指令，保证信息不会发生丢失，后者用于暂存分站的运行数据，确保通讯故障时分站依旧可以工作。EEPROM的存储电路如图4所示，采用AT24C512芯片，具有65 535个字节存储空间，满足系统需求。

图4 EEPROM存储电路

以太网交换机模块用于构建监控系统的信号传输网络，基于TCP/IP协议可兼容不同厂商的设备，实现远程访问与信息共享。系统硬件协议芯片由CH395Q组成，交换机采用KJ660，配备多个千兆光口组建环网。

3 软件抗干扰设计

监控系统中传输的信号通常会受到外界环境干扰，如浪涌干扰、脉冲干扰与电磁干扰等，大型电气设备、电缆与通信设备等都会对数据传输准确度造成威胁。为了提高监控系统运行的稳定性与可靠性，不仅需要在硬件选型时注意设备的抗干扰性能，还需在软件方面提高程序的稳定性。

本系统采用自诊断与自评估程序，智能检查分站、传感器及其他终端设备的功能是否完整，通讯网络运行是否顺畅，发现异常后自动报警，减少事故造成的危害。系统通过监控程序对系统运行参数进行监控，超过阈值则利用程序指针跳转到错误程序，进行修改。当系统发生死循环故障时，利用“看门狗”程序复位重启，确保系统可以重新投入运行。

4 应用效果分析

系统应用于现场前，需要进行一系列的调试与检测。调试过程中，通过串口通信向监控分站发送一系列数据指令，在静电放电干扰、电磁辐射干扰、快速电脉冲干扰与浪涌干扰等环境下，统计监控分站接收到数据指令的准确度。分站的抗干扰调试结果如图5所示，在静电放电干扰下，发送数据指令10 000条，分站准确接收指令9 839条，准确度达98.39%。通过调试实验，验证了监控分站在井下长时间工作时的稳定性与可靠性。由调试结果可知，监控分站在静电与快速脉冲干扰下展现出较强大抗干扰能力，符合国家对煤矿设备的安全要求。

图5 监控分站抗干扰能力调试

5 结 语

设计了一种矿井供电监控分站，通过以太网与RS485串口通信组建了系统信息传输网络，保证了各设备之间的信息共享效率，并对硬件设备进行可靠性选型，对软件进行抗干扰设计，通过调试实验验证了监控分站的抗干扰性能，有效提高了传输数据的准确度，保证了故障诊断的可靠性。