智能電表在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊 韜，鄧 杰

(1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.淮南供電公司，安徽 淮南 232007)

近年來，隨著國家對煤炭需求量的增加，煤礦開采的規(guī)模也在日益擴(kuò)大，伴隨而來的煤礦安全問題也備受關(guān)注，井下安全事故頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著工人的人身安全。電能作為目前最廣泛的清潔能源，在煤礦生產(chǎn)中起著決定性的作用，井下設(shè)備電能質(zhì)量檢測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系著煤礦安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

基于51單片機(jī)的智能電表系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測礦井下各支路設(shè)備的用電情況，對采集到的電能信號進(jìn)行存儲、處理，通過RS－485分布式通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)［1］，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式電表不但方便了工作人員對設(shè)備用電量的統(tǒng)計(jì)，避免下井抄讀數(shù)據(jù)，而且在井下出現(xiàn)異常險(xiǎn)情時(shí)能夠通過地面遠(yuǎn)程終端及時(shí)切斷井下設(shè)備的電源，避免造成更大的損失。

1 設(shè)計(jì)方案

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對礦井下電能、瓦斯?jié)舛取⒀鯕鉂舛?、二氧化碳濃度、壓力、溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)門狀態(tài)等環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并根據(jù)檢測參數(shù)去控制安全裝置、報(bào)警裝置、生產(chǎn)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等功能的系統(tǒng)。具有及時(shí)、準(zhǔn)確、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，保障礦井的安全，增強(qiáng)礦井的抗災(zāi)能力。

智能電表是基于計(jì)算機(jī)應(yīng)用、微電子、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，采用微控制器STC89C52對電能實(shí)現(xiàn)采集、管理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能的電能表［2］。集成電路ADE7755能夠準(zhǔn)確地測量設(shè)備消耗的有功功率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳遞采用RS－485串口通信方式，屬于物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)方便、抗干擾性好等特點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能電表系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。為了提高電表的穩(wěn)定性和抗干擾能力，在各模塊之間分別通過光電耦合器進(jìn)行隔離，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能電表硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

智能電表的數(shù)據(jù)采集模塊由ADI公司生產(chǎn)的低成本、高精度電能芯片ADE7755及其相關(guān)外圍電路組成，在500:1的動態(tài)范圍內(nèi)非線性測量誤差小于0.1%，符合IEC1036規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。ADE7755內(nèi)部包含兩路16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分別處理線路中的電流、電壓信號，一個(gè)電源監(jiān)控電路和用來計(jì)算有功功率的信號處理電路。

集成電路ADE7755對流入的電流、電壓信號進(jìn)行放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，再將數(shù)字化的兩路信號直接相乘得到瞬時(shí)功率。瞬時(shí)功率分為有功功率和無功功率，還需要通過低通濾波器才能得到有功功率。該處理過程由于在集成電路內(nèi)部進(jìn)行，所以具有很好的抗干擾能力［3］。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

單片機(jī)是將中央處理單元、存儲器、輸入/輸出端口等集成在一個(gè)芯片中的微型計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理模塊以8位單片機(jī)STC89C52為核心，選用E2PROM 24C02為存儲器，1602為現(xiàn)場終端顯示器。

STC89C52主要對數(shù)據(jù)采集模塊傳遞過來的電能信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲與計(jì)算等工作，并將處理后得到的電能數(shù)據(jù)和費(fèi)用等參數(shù)一方面顯示在終端顯示器1602上，另一方面通過串口傳遞給RS－485分布式通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信與控制。當(dāng)井下出現(xiàn)設(shè)備短路、斷電等異常情況時(shí)，STC89C52將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲到E2PROM，在設(shè)備恢復(fù)正常工作時(shí)讀取存儲器中的數(shù)據(jù)到顯示器中。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

智能電表區(qū)別于傳統(tǒng)式電能表的關(guān)鍵在于其具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，簡單有效的有線通信方式RS－485串口通信，具有連接方便、抗干擾性好、距離遠(yuǎn)、速率高等特點(diǎn)［4］。

RS－485采用雙絞線傳輸差分信號，用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)多址的分布式通信網(wǎng)絡(luò)［5］，具有良好的信號保密和抗干擾能力，如圖2所示。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中基于RS－485的本地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)集中器、數(shù)據(jù)采集器、智能表計(jì)等組成。

圖2 智能電表通信網(wǎng)絡(luò)

3 軟件設(shè)計(jì)

智能電表的軟件設(shè)計(jì)是其真正實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，與地面監(jiān)控系統(tǒng)的通信以及井下單片機(jī)對數(shù)據(jù)的處理和顯示等功能都將由軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，軟件程序的編寫直接影響著智能電表的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

STC89C52對采集到的電能信號采用中斷的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單片機(jī)主要有5種中斷方式分別為外部中斷0/1，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷0/1，串口中斷。本設(shè)計(jì)采用了外部中斷0的方式，初始化設(shè)置如下:

智能電表的現(xiàn)場終端采用1602作為顯示器，1602是點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，是由若干點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群，每一個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位。其初始化設(shè)置如下:

STC89C52通過串口將處理后的數(shù)據(jù)傳遞到RS－485通信網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)中常用的通信方式是通用異步傳輸(UART)。將需要傳輸?shù)?位數(shù)據(jù)放入串行緩沖器(SBUF)中，微控制器會一位一位地將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。串口輸出函數(shù)程序如下:

4 小結(jié)

基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能電表具有低成本、高精度等特點(diǎn)，采用遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)完成煤礦井下設(shè)備用電情況的自動采集與傳輸，避免了人工下井存在安全隱患的發(fā)生。軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)的相互結(jié)合提高了智能電表在井下惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗干擾能力，通過實(shí)際測試運(yùn)行正常，且具有一定的推廣價(jià)值。

［1］王志敏.嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2011，32(4):231－232.

［2］張莉.單片機(jī)控制的數(shù)字式電度表［J］.煤礦機(jī)械，2006，27(8):105－106.

［3］時(shí)志娜，董愛華，孫士棟，等.基于芯片ADE7755單相電能計(jì)量電路的設(shè)計(jì)［J］. 微計(jì)算機(jī)信息，2009，25:203－204.

［4］閆成華，周余，都思丹.基于嵌入式Linux的RS485通信協(xié)議［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，34(11):278－280.

［5］劉建戈.電能表RS485多系統(tǒng)通信方式分析與應(yīng)用［J］.電測與儀表，2009(12):99－101.