蒋军 JIANG Jun

（淮南职业技术学院，淮南232001）

0 引言

传统的井下高压防爆开关保护器通常采用单片机作为核心控制器件，配以A/D转换器等外围电路构成控制系统。在煤矿井下的复杂环境中抗干扰能力差、可靠性较低。本文设计的基于和利时LM3108G型PLC为核心的综合保护器充分利用了PLC的高可靠性，在具备传统保护器的各种保护功能之外，重点设计出保护器的后备电源系统，使之在断电1到2小时内保证保护器的正常工作，而且电源质量也得到了保证。

按照模块化设计的思路，可将其硬件分为以下模块：中央单元模块、电源系统模块、模拟量采集模块、人机接口模块、I/O模块、通信模块等。

下面本文将重点对中央单元模块、模拟量采集模块、电源系统模块、人机接口模块进行详细介绍。

1 中央单元设计

在系统的硬件设计中，选择合适的中央处理单元是设计的第一步。对于装置的功能实现有重要的意义。而对于中央处理单元的选择上，根据功能的需要可从以下几个方面进行考虑。

①运算速度：在本装置中为满足保护的快速性，要求每个周期进行32点的采样，这同时也就要求中央处理单元在0.625 mS内必须完成程序的运行。②扩展性：在满足了运算速度的同时，出于对装置后期的研发作为参考，应选择在未来使用前景较好的机型。便于以后的研发和在保护功能上的扩展。③功能：所选中央处理模块应能满足实现保护功能的要求。尤其是接口功能的满足。在此之上也应综合考虑合适的性价比。以及适用场合的特殊要求。④中央处理单元应有良好的兼容以及稳定性。通过对上述要求的综合考虑，在本设计中，选用了和利时的LM3108G型PLC作为中央单元，该PLC本身集成了I/O模块和通信模块，有效的简化了系统，也是对模块化设计思想的贯彻。

和利时LM3108G型PLC（以下简称“LM3108G”）集成24点输入和16点晶体管输出共40个数字量I/O点，最多可连接7个扩展模块。具有3点100kHz单相高速计数器和2点100kHz两相高速计数器，具有2路20kHz高速脉冲输出功能。1个RS232串行通讯接口和1个RS485串行通讯接口，支持专有协议、MODBUSRTU从站协议和自由协议，是一款适用于较复杂自动控制系统的控制器。

2 模拟量采集电路

通常对于模拟量的采集包括两部分，分别是模拟量输入以及A/D。对于保护装置来说需要输入的交流信号主要有两相的电流值，三相电压，零序电压、零序电流和监视线等合计八路模拟信号。首先需要通过电压和电流互感器等信号通过交流量调理电路进行电平转换然后经过滤波等环节进入A/D转换为数字信号以便于PLC进行处理，（LM 3108G需要另配A/D转换模块），在此之前要对输入的交流量进行一定的处理。

2.1 电压、电流的采集

通常情况下，对于保护装置会采用两个互感器的方法将模拟量信号采入。第一个互感器是把一次线路中的大电流变换为小电流，通常输出为5A较为固定，从而实现了高压和低压电路在电路上的分离。第二个互感器采用了小型精密的交流电压、电流互感器，将5A的电流按照需要进行变换。

本装置中选用西安瑞丰公司的RPT-202B电压互感器和RCT-201B电流互感器。该型号互感器经试验线性度良好，满足设计要求，而且结构简单，可直接焊装在印刷线路板上，而且成本较低。其电路如图1所示。

图1 互感器的应用电路

RPT-202B是一种电流型测量用精密电压互感器。图中，R3、R4为限流电阻，保证额定输入电流为2mA。互感器副边的电路是电流/电压变换电路，便于送入A/D转换。调整图中反馈电阻R1的值可得到所需要的电压输出。电容C1及可调电阻R2是用来补偿相移的。电容C2是1000pF的小电容，用于去耦和滤波。两个反接的二极管是起保护运算放大器作用的，也可用一个100Ω左右的电阻代替。运算放大器视精度要求使用，我们使用的是LM324。RCT-201B是测量用穿心式精密电流互感器，其应用电路及原理同电压互感器的应用电路基本相同。

2.2 前置低通滤波电路

据香农采样定理，为了在频谱上防止有“混叠效应”的出现，要求信号最高频率要小于采样频率的1/2，在此可以通过前置的低通滤波器实现对高频成分进行滤除。本装置采用了二阶RC无源低通滤波器。如图2所示。

图2 二阶RC无源低通滤波器

其传递函数：

从传递函数表达式中可知极点为恒小于零，所以滤波器呈现单调衰减的特性。为了达到更好的滤波效果还需要与数字滤波相结合。

对于监视线采用了双极点Sallen-Key滤波器（如图3）：

图3 Sallen-key滤波器

其传递函数为：

式中：

这里只需对R1、R2或C1、C2按比例调整便可以得到所需要的ωc的值。

3 电源单元

由于综保装置需要多种电源，在高压隔爆开关柜内，一般供电电源取自互感器的二次侧100V作为保护装置的供电电源，电源性能的好坏会直接影响到保护装置的性能。保护装置中，由于电源取自高压开关内，工作井下环境恶劣，且装置包含多种作用不同的功能块，不仅有模拟电路又有数字电路，对电源的要求也不尽相同，这就给电源部分的设计提出了更高的要求。

工作电源通过充电适配器转换成为24V直流电，一方面为直流蓄电池充电；另一方面，通过相应的电源转换电路为综保装置供电。当直流电池充满电后，处于“离线”状态。当外接电源断电，直流电池组立即进入工作状态，持续向PCB电路板提供稳定的24V电源输出。

电源可由PCB板上转换电路，分解为：+5V、+12V、-12V、+24V、合闸用+24V等电源输出，供保护装置使用，维持其正常工作。这里，直流蓄电池的设计容量为2AH，实验表明保护装置一般工作电流在1A以下。因此，维持保护装置在停电状态下，保证综保装置正常工作时间不小于2个小时。这样会极大地提高了井下电力系统运行的稳定性，为煤矿的安全、高效生产提供了强有力的技术支持。

从图中可知，24V备用电源的输出连接到稳压滤波电路上，经过电容滤波及一个整流器输出24V，经过稳压滤波整流器输出的24V一路用来提供DC/DC的输入，一路用来直接输出驱动外部设备。经过DC/DC电压转换之后，输入DC/DC的24V转换成一正一负的12V两路输出连接到稳压滤波电路上，经过电容电感滤波输出的12V有两路直接驱动外部设备，分别为一正一负。另外两路中有一路连接到Lm1066上，经过Lm1066分压电路，输出的5V直接驱动外部设备，剩下的一路输入5 DC/DC，经过DC/DC电压转换之后输出的24V连接到滤波电路上，经过高频滤波输出的24V用来驱动外部设备。另外，在模拟量采集环节中由于需要将电压抬升1.25V。因此，这里选用REF3112实现将+5V转为+1.25V如图4所示。

图4 电压抬升电路

4 人机交互单元

在保护装置中，操作人员需要对保护的进行监视、整定、查看故障信息等，系统的运行状态以及故障发生情况也应通过显示各监测量以及故障报警的方式进行告知，从而形成人机交互。

4.1 键盘单元

由于保护装置安装在高压防爆开关的内部，通常情况下门板上整定按键较少，在设计的时候应尽量简化按键，保护装置设有3个按键，分别是整定一、整定二和复位键。由于从电源产进入的干扰有可能对数字部分产生一定的影响，因此，可以先使用光耦进行隔离处理。处理器读取低电平来识别按键的按下，当没有按键按下时仍保持高电平。由于按键按下时在暂态过程中会有一定的震荡，从而可以在软件上进行处理来消除抖动的影响。

4.2 显示单元

使用液晶显示器来进行保护状态以及故障信息的显示，具有小巧低功耗等特点。在工业控制及仪器仪表的设计制造中广泛应用。在本保护装置中采用了OCM12864_4液晶模块。本显示器采用了点阵型T6963C控制器。显示阵列为128×64。由处理器的的外部接口进行对显示器的存储进行相应的读写操作。

5 抗干扰设计

由于保护装置的安装地点特殊环境复杂，对于其工作可靠性也是对保护设计的主要要求之一。从保护的应用来说，这里的可靠性包含了不误动和不拒动这两方面的要求。要做到这两方面首先在保护装置的硬件设计中要对抗干扰性能进行加强。通常情况下，保护装置的干扰来自于以下几个方面：

①来自电源的干扰。

在实验中我们会发现来自电源的干扰对保护系统的影响最大而且也最为频繁。在电力系统的运行中，浪涌、接地不良、互感器的绝缘下降等诸多方面都会对系统产生一定的影响。而且这种影响也较为复杂，除了及时发现设备原因之外，在硬件设计中要对电源部分多加注意，加强器抗干扰的能力。

②输入输出接口引入的干扰。

输入输出接口引入的干扰通常可以分为三类即操作外设引起的干扰、电路板中临近信号线路间的相互干扰和电源线路对信号线路的干扰、现场干扰。较为普遍的是分合闸过程中瞬间的突变量较大从而引起的信号线中的干扰引入。这对于处理器的工作有很大的影响。

③来自空间的电磁干扰。

由于井下变电所空间有限系统的一次设备距离保护的安装出也比较近。由于这些高电压设备运行过程中会产生很强的空间电磁场。因此对同在附近的保护装置也有一定的影响。通常可以通过保护装置的外壳来进行空间电磁干扰的防护。

由于干扰的产生种类较多，定量的分析也比较困难。根据一般的硬件设计在抗干扰方面的设计经验我们可以从以下几个方面入手来降低或者消除干扰的影响，保证装置的正常工作。这些手段包括：

①接地的抗干扰措施。

接地是在硬件抗干扰设计中较为常用的方法。有效的接地和屏蔽的使用对于很多的干扰问题都可以解决。具体说，装置的接地包括了数字地、模拟地、通信地、机壳地、电源地等。使用接地的目的是为了尽可能的减小该处的接地阻抗。

1）模拟部分的接地可采用单点接地法，即每个电压电流通道自形成系统，有各自电源线及地线。电源线和地线最后连接到设备的电源端，以减小公共接地元件因接地的阻抗不同而造成的模拟信号之间的耦合。

2）这设计中要把模拟地与数字地分开，以减少模拟部分对于数字部分的干扰。而且对于接地线应该尽量的保证短而粗。

3）接地线应尽可能的形成闭合的环路。这样可以有效的减少地线间的电压差，并对电路的抗造性能加以提高。将中间两层作为电源层与地线层，这样在两层中间可以产生电容以保持电源质量。

4）要将保护的机壳有效接地，这里的地指大地。从而对空间中存在的电磁干扰以及静电等加以屏蔽。在现场使用中会将保护器的外壳与高防开关有效接触从而通过高压开关外壳有效接地。

②模拟量采集的抗干扰措施。

本文的电源设计部分采用了二阶无源RC滤波以及Sallen-key等低通滤波器。对于高频信号进行有效的滤除以防止发生干扰。

③PLC本身的抗干扰。

LM3108G本身就具有优良的抗干扰能力，包括输入输出的光电耦合等，这也是选取其作为中央控制单元的原因之一。另外，保护器专门设计的外壳也起到了一定的抗干扰效果。

6 结论

本设计选用了LM3108G作为保护器的核心，提高了装置的性能，并对其外围设备进行设计。通信方面，保护器同时采用了RS-485和RS232通信，方便现场应用。重点保护器的电源部分，尤其是设计了UPS电池作为保护的后备电源。即使在断电的情况下仍能保证保护器正常工作1-2小时，方便通信和故障信息的上传。