矿用组合开关主控单元的设计.pdf

第 1 期 2 0 0 7年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i o n No ．1 Fe b ．2 0 0 7 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 1 0 0 7 4 0 4 矿用组合开关主控单元的设计 黄静 波 ， 牟龙 华 同济大学 ， 上海2 0 1 8 0 4 摘要 根据矿 井生产的需要 ， 文章设计 了一种基 于 AVR单片机的组合开关， 概括地介绍 了其主要功能 及控制方式， 简述了上位机控制单元硬件构成及软件设计思想。实际应用表明 该开关有助 于提 高矿 井生产 安全性， 可靠性 高， 使 用灵 活。 关键词 矿井； 组合开关；控制单元； 控制模式； 单 片机 ；A VR 中图分 类号 T D 6 3 ； T P 3 9 3 文 献标 识码 B De s i g n o f M a i n Co n t r o l Uni t o f M i ne - us e d As s e mbl e d Swi t c h HUANG J i n g b o。 M U Lo n g Hu a To n g j i Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r di n g t o t he r e q u i r e me nt of p r o du c t i on i n c oa l mi ne，a n a s s e mbl e d s wi t c h ba s e d on AVR s i n gl e c hi p mi c r o c ompu t e r wa s d e s i gn e d ． I t s m a i n f u nc t i o ns a nd c o nt r o l m o d e we r e i n t r o duc e d s umma r i l y ． The d e s i gn o f ha r d wa r e a n d s o f t wa r e o f c o nt r o l un i t of t he u pp e r c o mput e r we r e p r op o s e d ． The pr a c t i c a l a p pl i c a t i o n p r o ve d t ha t t hi s ki n d of a s s e mbl e d s wi t c h wa s he l p f u l t o e nha nc e t h e s e c u r i t y o f pr o du c t i o n i n c oa l mi n e a n d ha d hi g h r e l i a bi l i t y a n d f l e x i bi l i t y ． Ke y wo r d sc o a l m i ne， a s s e mbl e d s wi t c h， c on t r ol un i t ， c o nt r o l mode， s i ng l e c h i p m i c r oc o m p ut e r． AV R 0引言 煤矿 井下 的恶 劣工作 环境 及 各种安 全 隐患决 定 了发展安 全 生产研 究 的重要 性 。随着采 煤 自动 化程 度的提高， 选用可靠性高、 故障率低 、 管理操作方便 、 收稿 日期 2 0 0 6 0 9 一l l 作者简 介 黄静波 1 9 8 2 一 ， 男 ，现 为同济大学硕 士研 究生 ， 研 究方向为电力系统及其 自动化 。 的数据 有可 能是 站 号调 整 时误 发 ， 所 以要 判 断 接 收 数据的有效性。接收到的数据包含命令和站号， 要 判断该站号是否与本机站 号相符， 不相符则抛弃该 命令 。 4结语 经实验证明， 本隔离转换器在波特率 为 1 1 O ～ 5 7 6 0 0 b p s ， 串 口发送 数据 的 时间 间隔为 5 ms ， 发 送 的数据个数任意 ， 可以实现无误码收发。 该转换器能有效 地解决 矿井下 RS 4 8 5总线与 性 能优 良的 电气设 备也 是各 煤 炭企业 实 现高 效安 全 生 产 的必然 选择 。组 合开 关是 将原 先多 台用 于控 制 采 煤 机 、 转 载机 、 破 碎 机 、 运 输 机等 用 电设 备 的开 关 控 制 回路 以及 监 控 主控 制 回路 集 中起 来 ， 1台组 合 开关 的 功 能 就 相 当 于 多 台 单 体 开 关 的 功 能 ， 例 如 6组合 开关 ， 就 相 当于 6台单 体 开 关 。组 合 开 关 代 替 单体 开关 一方 面 ， 简化 了各单 体 开关 之 间的 电缆 连 接 ， 减 少 了设备 占地 面积 ， 且 有利 于设 备 的频繁 变 迁 ， 也 便 于集 中管 理 ， 发 生 故 障 时也 有 助 于排 除 ； 另 R S 2 3 2信号通信 的问题 和消除矿井下 R S 4 8 5总线 信号对上位机的威胁。 参 考文献 [ 1 ] 胡 大可．MS P 4 3 0系列 F L AS H 型超低功耗 1 6位单 片 机 [ M] ．北京 北京航 空航 天大学 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 2 ] 秦龙 ．MS P 4 3 0单 片机应用 系统开 发典 型实例[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 胡大可．MS P 4 3 0系列单 片机 C语 言程序 设计与 开发 [ M] ．北 京 北京航空航天大学 出版社 ，2 0 0 2 ． 维普资讯 2 0 0 7年 第 1 期 黄 静 波等 矿 用组合 开 关主控单 元 的设计 7 5 一 方面， 能根据需要设计程序， 进行各台开关的 自动 组合控制 ， 效率高 ， 且节省人力。总之 ， 组合开关能 有效减少生产 、 安装和维护的工作量 ， 有助于安全高 效生产和提高供电可靠性 ， 方便用户操作使用 ， 适应 煤矿 井下 环境需 要 。 1 主 要功能 6 组合开关主控单元就是控制 6 组单独开关 回 路， 将原本独立 的 6组开关 回路组 合在一起， 成 为 1套组合开关 ， 实现组合运行模式 ， 以适应煤矿井下 不同生产场合下的不同需要 。同时对 6组开关回路 实 现实 时监控 ， 出现故 障时能及 时 断开 回路 ， 防 止 因 故障而产生意外 ， 保障生产的安全性 。 1 ． 1 控制模 式 该组合开关 的控制模式是从煤矿井下生产的实 际需要出发制定的， 可分为 3种控制模式， 分别为单 机模 式 、 顺控模 式 和程 控模 式 。 1 单 机模 式 单机模式 较 为简 单 ， 在单 机模 式 下 ， 6组 开关 回 路相 互独立 ， 各 自单 独控 制 6台 电动机 的运行 ， 启 动 和停 机都是 以手 动 模式 操控 ， 每组 开关 都设有 启 动／ 停机按钮 。一般来说 ， 单机模式是组合开关在煤矿 供电系统应用中常用的控制模式 。 2 顺 控模 式 顺 控模式 属 于远 方 控 制模 式 ， 如 图 1所 示 。所 谓顺 控模式 即为 按 顺 序 控 制各 路 开 关 供 电 ， 启 动 电 动机 。在主控单 元 接收 到 远 方顺 控 启 动 命 令 后 ， 即 可 按照 预定 的顺 序 和 间 隔 0 ～ 3 s ， 一 台接 一 台地 下 发启 动命令 给参 与顺 控 启动 的 电动机所 在 回路开 关。各 回路依次启动过程中， 任意一 台电动机如果 启动 失败 ， 则不再 继 续启 动下 一 台 ， 并立 即停 止 已启 动 的 回路 。若 在顺 利 启 动 后 正 常运 行 过 程 中 ， 任 意 一 台电动机发生故 障， 则其它所有 电动机也须立 即 停机。在主控单元接到远方顺控停机信号后 ， 立 即 下发停机命令给各 回路 ， 若处于运行状态则停 止运 行 ， 处于启 动过 程 中则停 止启 动 。 3 程控模 式 程控 模式 可 分为 2种情 况 ， 定 义为 模式 1和 模 式 2 。设 6路 开关 回路分别为 1 ～6 ， 则模式 1 下 ， 启 动过 程可描 述 为 1 电动机首 先 启动 ， 经 过 一 段延 时 0 ～3 S 可 调 ， 3 电动 机 启 动 ， 再 次延 时 3 ～ 5 s 可调 ， 4 电动机启动 ， 同时 3 电动机停机 ， 进入正常运转 ， 其 中 3 、 4电动机分别为低速 电 动机与高速电动机 ， 该模式适用于工作面上转载机 远方顺控信号 半 三 鱼 壁 发开关 2 合闸命令I ’ ≤ 近噩 图 1顺 控模 式 启 动 过 程 流 程 图 与破碎机 的组合启动。如 1 作为破碎机 ， 3 、 4 作为转载机低速与转载机高速 。2、 5、 6开关 回路可作为备用 回路 ， 当 1 、 3 或 4 开关发生故 障， 将 电动机接人备用 回路即可 ， 提高了生产的灵活 性 。模式 2的控制方 式是 针 对采 煤工作 面 驱动 刮板 运输 机 的双速 电动 机而 设 ， 运输 机机 头 、 机 尾 的 2台 双速电动机要求协调工作 ， 低速启动前 由于链条处 于松弛状态 ， 需要机头的电动机首先启动， 以便拉紧 链 条 平 滑 启动 ， 延 时 3 ～ 5 S后 ， 再 启 动机 尾 低 速 电 动机 ， 低 速 运 行 0 ～ 5 S时 间 后 ， 发 出转 换 高速 的启 动信 号 ， 机头 、 机尾 同时 切换 为高 速 电动机 。此 外 系 统还 提供 自动切换模 式 供选 择 ， 在 自动切换 模 式下 ， 当机 头机 尾 2台低 速 电 动 机 先 后 启动 完 毕 、 2台 电 动机均 降 到额定 电流 时 ， 才 发 出高 速 切换 信 号 。不 论在 启动 过程 中还 是 正 常 运 行 后 ， 任 意一 台 电动 机 发生 故 障或 启 动 失 败 ， 其 它 电 动 机 都 须 立 即 停 机 。 程控 模式 启动 过程 流程 如 图 2所示 。 远方程控信号 头部低速电动机启动I 鍪 ‘启动成功 尾部低速电动机启动I 匿 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。_ 芝 ，___ 一． 图 2 程控模式启 动过程流程图 维普资讯 7 6 工矿 自动 化 2 0 0 7年 2月 1 ． 2保 护 功 能 该组合开关保护功能 由下位机保护 单元完成 ， 一 旦发生故障， 上传给上位机主控单元进行 故障的 处理与记录。主要包括如下的保护功能 漏电闭锁 、 先导闭锁 、 过压保护 、 欠压保护 、 过载保 护、 过 载预 警 、 温度异常报警 、 启动时间过长保护 、 断相保护、 短 路保护 、 漏电保护 、 启 动频繁保 护。其 中， 短路 、 断 相、 漏电为重大故障， 这些故障一旦发生 ， 需要人工 进行手动确认复位 ， 过压、 欠压、 启动频繁、 启动时间 过长保护是可选择性保护 ， 在 主控单元保 护整定功 能中可进行设置。漏电闭锁功能使回路在发生漏电 的情况下， 闭锁电动机启动， 直到漏电状态消除。先 导闭锁是用于 2次电动机启动间隔时间内闭锁先导 回路 ， 防止电动机连续启动导致电动机 的损耗而降 低使用寿命 。在顺控和程控模式下， 各 电动机运行 相关联 ， 当某台电动机发生故障时， 上位机将根据故 障信息进行故障处理 ， 对其 它运行中的电动机执行 停机命令和保护 。而单机模式下， 各台电动机独立 运行 ， 故无需 对 其它 电动 机进行 停机处 理 。 1 ． 3人 机 界 面 该组合开关 以 1 2 8 1 6 0的液晶显示屏幕为显 示系统 ， 主界 面能 实 时显 示 6组 回路 的 电 压 、 电流 、 功率 、 状态及当前控制方式和时间日期 ， 界面友好直 观 ， 一 目了然 ， 以小键 盘操 作 ， 简 便实用 ， 菜 单 功能 齐 全， 包括控制模式设置 、 保护参数整定 、 保护试验、 故 障信息查询 、 时钟设 置和出厂设置等功能 。正常运 行时显示主界面的运行信息， 通过操作可进入菜单 界面 ， 在某 回路发生故障时能及时报出故障信息 ， 以 便工作人员能及时发现并采取措施 。 2上位 机 主控单 元硬 件设 计 2 ． 1 C PU 选 型 该组合开关选用 ATMEL公司的 AT me g a 1 2 8 单 片机 为 中 央 控 制 单 元 。AT me g a 1 2 8属 于 AVR 系列 单 片 机 中 的 高 档 单 片 机 ，其1 2 8 KB 的 F L AS H程 序 存储 器 ， 擦 写 方 便， 利 于 编 程， 具 有 J T AG接 口， 支持 J T AG在线实时仿真 ， 使得程序的 调试更 加 方 便 容易。 内置 的 4 KB大 小 的 E E P R OM， 免除了外接 E E P R OM 电路， 可 直接 使用其 内置 E E P R OM 存储各种定值及故障信 息。增 强型 的高速 同／ 异步 串口， 具 有硬件产生校验码 、 硬件检 测和校验帧错、 两级接收缓冲等功能 ， 提高了通信的 可靠性 ， 方便程序编写 ， 更便于组成分布式网络和实 现多机通信系统 的复杂 应用。串口功能 大大超过 MC S 一5 1 ／ 9 6单 片机的 串1 1 ， 加 之 AVR单 片机高 速 ， 中断服务时间短 ， 可实现高波特率通信 。主控单 元硬件框图如图 3 N示。 竺 皇 卜 ， 叵 卜一 A T me g a 1 2 g 区巫 卜一 单 片 机 臣 卜一 图 3主 控 单 兀 硬 件 框 图 2 ． 2通 信 接 口设 计 组合开关上位机控制单元与下位机保护单元之 间通信采用 RS 4 8 5接 口， 并预留有 与后台监控 系统 R S 4 8 5的接 口， 以屏蔽双绞线传输 。系统通信结构 如 图 4所示 。RS 4 8 5 接 口是平 衡 驱 动器和 差分 接 收 器 的组合接 口 ， 抗 共模 干扰 能力 增强 ， 即抗 噪声 干 扰 性好 ， 传输距 离 长 ， 因此 成 为首选 的串行接 口。 RS 4 8 5总线 后 台监控主机 组合开关上位机 控制单元 下位机 l l下位机 l l下位 机 l l下位机 l l下位机 l l下位机 护开关 1 I l 保护开关2 I l 保护开关3 l l保护开关4 I I保护开关5 l I保护开关6 图 4系统 通 信 结 构 图 2 ． 3显 示 接 口设 计 显 示系统 选 用 1 2 8 1 6 0大小 的 L C D液 晶显 示 屏 。L C D具有低功耗 、 寿命长、 体积小、 接 口方便等 优点 ， 内置 S E D1 3 3 5控 制 器 ， 是 液 晶显 示 器 系 列 产 品 中应 用最 广 泛 的产 品之 一 。AT me g a 1 2 8单 片 机 直 接通 过输入 输 出引 脚控 制 S E D1 3 3 5 ， 以地 址 访 问 方 式控 制 L C D 的读 写 。为 了节省 L C D的耗 电及 延 长使 用寿命 ， 外加 了背 光控 制 电路 ， 通 过继 电器控 制 L C D 背光电 源 ， 当长 期 处 于 无 人 操 作 状 态 时 ， 自动 关 闭背光 效果 。 2 ． 4 其它功 能 主控 单 元 设 计 有 时 钟 功 能 ， 时 钟 芯 片 选 用 d s 1 2 8 8 7 。该芯 片 自带 晶振 和 电池 在无 外部 电 源情 况下 电池可 以使用 1 0年 ， 复用数据／ 地址总线 ， 单 片机 通过 外部 中断 方式 读取 时 钟芯 片 内的时 间 。时 钟 芯 片每秒产 生 1 次 中断 。 键盘共有 6个按键 ， 采用独立式按键键盘 。各 按键相互独立 ， 通过光电耦合器接入单片机 。温度 测量采用 P t 2 0 0型铂 电阻传感器 ， 利用阻值随温度 维普资讯 2 0 0 7年第 1期 黄静 波等 矿 用组合 开 关主控 单元 的设 计 7 7 而变化的特性来测量 温度。系统外接 硬件看 门狗 MAX 7 0 6 ， 当程序跑飞能 自动对 C P U进行 复位 ， 防 止由于程序跑飞而引起事故 ， 提高了抗干扰能力 。 3上位机 软件 设 计 主控软件采用 C语言编写 ， 模块化结构 ， 以循 环扫描方式运行 ， 结构清晰、 层次分明、 便于调试与 修改。程序主要 由显示模块 、 通 信模块和键盘处理 模块 等构成 。 3 ． 1 主要 功 能模 块 1 初 始 化模 块 在每 次 开 机 或 复 位 后 被 调 用 ， 主要负责初始化主控单元各器件 ， 包括 C P U端 口、 寄存器 初始 化 、 L C D参 数初 始化 、 时 钟参 数 初 始 化 、 E E P R OM 数 据初 始化 等 。 2 显示模块负责液晶屏的显示， 根据键盘输 入 的操作 ， 显 示对 应 的界面 。 3 通信模块 负责收发与下位机 的通信数据 ， 采用主从通信模 式， 以查询方式与下位机通信 。从 稳定性 和实 时性 考 虑 ， 轮询 时 间间 隔 为 1 S ， 同 步 刷 新显 示屏 。 4 键盘 处 理 模 块 负 责 响应 用 户 的 按 键 操 作 ， 以查 询方 式查 询键 盘端 口， 每 次按 键都 用“ 软 件 消抖 法 ” 去抖 。 3 ． 2通 信 规 约 该 组 合 开关 通 信 规 约 中 ， 通 信 方式 采 用 主 从 查 询方 式 ， 上位 机 周期 性依 次查询 下 位机保 护装 置 ， 被 查询 保护装 置 按相 应报 文帧格 式 回答 。除 常规 查询 通信外 ， 包括遥控 、 遥设等控制操作的通信。报文格 式 采用单 帧 ， 如 图 5所 示 。 I 兰 兰 兰 兰l 堡 l 里l 塾 塑 】 竺 竺 竺l 图 5报文帧格式 装置 地址 1 ～6表示 6台下 位机 保 护装 置 的地 址 。 帧 长 即报文 长度 ， 为报 文类 型码 、 用户 数据 区 、 校 验码 的字 节 和 。 报文类型码与用户数据 区 具体定义不在此一 一 列出， 主要定义了常规查询及遥控、 遥设等操作代 码 及数据 。 校验码 采用 累加和校验方式 ， 除校验码外 ， 报 文所有字节 累加 ， 若累加和溢出， 则取低 8位。校验 码大 小为单 字节 。 3 ． 3主 程序 程序模块化后 ， 主程序编写任务就是关联各模 块功能 ， 程序流程如图 6 所示。 初始化处理程序 箩 臣亘 臣 匝匦函 ●Y Y 芬 4结语 图 6 程序 流程 图 本 文设 计 的矿用 组 合开 关考 虑了井 下煤 矿 生产 的现 场需要 ， 设 计 了常 用 的组 合模 式 ， 简 化 了生产工 作流 程 ， 提高 了 自动 化 程度 ， 降低 了生 产成 本 。还考 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与管理 。 该 组 合 开 关 虽 然 在 一 定 程 度 上 提 高 了 生 产 效 率， 但也有一定的局限性 ， 比如组合模式 只适用于特 定场 合下 的生 产 。煤 矿 井 下生产 往往需 要 多种 组合 模式 ， 故设计一种任意组合的智能组合开关是有待 研究 的 方 向 。 参 考 文献 [ 1 ] 宋建成． 智能化双速双 回路 隔爆兼 本质安 全 型磁 力启 动器测控 系统[ J ] ． 低 压电器 ， 1 9 9 8 2 3 9 ～4 3 ． [ 2 ] 孙 本安． 谈矿用隔爆组 合开关控制站 开发 [ J ] ．电气开 关 ， 2 0 0 0 4 1 ～5 ． [ 3 ] 王福瑞． 单片微 机测控 系统 设计大 全[ M] ． 北 京 北 京 航空航天大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． 维普资讯