井下供电自动化系统数据通讯电路的设计与研究

1井下供电自动化系统数据通讯电路的研究与设计李树伟，沈占彬(平顶山工业职业技术学院,河南平顶山467001)摘要:根据煤矿供电系统结构特点及功能要求，开发研制出基于微机技术的井下供电自动化系统数据通讯电路。该电路由监控终端通讯电路、分站、中继站、光电适配器和井上数据库服务器应用程序五部分组成。各通讯分站通过485总线接收智能终端设备传送的状态参数，并将电信号转变为光信号，利用光纤技术将开关状态参数高速接入数据库服务器；控制信号的传输方向正好相反，井上远程监控机站采用B/S结构，数据库服务器通过串口读取数据，并利用数据库技术对数据进行记录；网内用户通过局域网对数据库数据进行访问。关键词:井下供配电；自动化系统；B/S结构；单片机；数据通讯中图分类号：TP273文献标识码：AResearchandDesignofCommunicationCircuitinUndergroundPower-distributionAutomationSystemLIShu-wei，SHENZhan-bin(PingdingshanIndustrialCollageofTechnology，Pingdingshan467001,china)Abstract:Accordingtotheconfigurationcharacteristicsandfunctionrequirementsofthepowersupplysystemincolliery,thispaperhasdesignedcommunicationcircuitofundergroundpowersupplyintegratedautomationsystembasedoncomputertechnology.Thesystemisconsistedofcommunicationcircuitinundergroundintelligentmonitoringtermination,substations,trunkingstations,photoelectricityadapterandsurfaceapplicationsoftwareondatabaseservercomputer.Substationsreceivethedatafromintelligentmonitoringterminationthrough485-Bus,andchangetheelectricsignaltoopticsignal,thentransmitthemtosurfacemonitoringstationthroughopticalfiber.Thedirectionofthecontrolsignalisjustopposite.ThesurfacemonitoringstationadoptsB/Sstructure.Thedatabaseservercomputercollectsstateparametersthroughserial-port,and.storedthesedatabydatabasetechnology.TheclientcomputersinthelocalareanetworkvisitdatabasethroughLAN.Keywords:undergroundpower-distribution;Automationsystem;B/Sstructure;single-chipcomputer;Datacommunication煤矿井下供电系统的安全运行，直接影响着矿井生产系统的各个环节，以及煤矿的安全生产和生产效率。该系统的各元件长期工作在恶劣的环境中，经常受到潮、腐、砸、压、碰、撞等伤害，造成系统元件的损伤，运行异常。如果不能及时掌握井下供电系统各元件的运行状态，对异常及时处理，将会造成煤矿井下无计划间断供电，危及煤矿的安全生产。因此煤矿井下供电系统安全监控是急需解决的问题，其中数据通讯电路的设计是整个系统能够安全有效工作的关键技术之一。1.井下供电综合自动化系统总体设计按照供电综合自动化系统应具有对井下电气元件遥测、遥控、遥信和遥调，维护与扩展性强等要求，实现井上、井下信息的高速交换，我们设计的井下供电自动化系统总体框架如图1所示。该系统由井下智能监控终端、数据通讯电路及井上远程监控机站等部分组成。井下智能监控终端采用单片机技术，实现井下高压开关状态参数的采集与控制信号的发出。状态参数通过485总线传送到各分站。数据通讯电路由监控终端通讯电路、分站、中继站、光电适配器和井上数据库服务器五部分组成。监控终端通讯电路是监控终端的门户；分站将各监控终端的数据转换为光信号接入光缆；中继负责分站的扩展；光电适配器实现光信号与电信号的相互转换；数据库服务器应用程序对监控终端上传的数据进行存储，同时记录Web服务器提出的各项控制命令。井上远程监控机站采用B/S结构，由数据库服务器、Web服务器和网内用户端组成。数据库服务器实现井下数据采集及存储，并发出控制指令。用户端利用局域网访问Web服务器，由Web服务器向数据库服务器提出数据访问请求。2数据库服务器内部用户内部用户路由器防火墙Web服务器光电适配器光缆井上部分井下部分中继站光缆1＃分站2＃分站监控终端3＃分站监控终端监控终端2.数据通讯电路设计在组成数据通讯电路的五个部分中，光电适配器采用华通公司的产品ST/SC，该产品采用标准金属零件，螺纹连接，互换性好，连接方式灵活，可靠性高、稳定性强等特点，适合于煤矿井下恶劣的工作环境。其它四个部分的电路设计分述如下：2.1监控终端通讯电路如图2所示，在监控终端中，采用单片机89C51对整个装置进行控制。包括井下高压开关的电流、电压等数据的采集；对井下高压开关进行合闸、分闸等操作。监控终端采集的数据存储在如图所示的数据存储器RAM中，2051读取RAM中的数据并通过MAX485将数据传送给分站。同样，2051通过MAX485接收分站传送来的控制命令，并将控制命令存储在数据存储器RAM中，供89C51进行查询并执行。2.2中继站和分站电路设计中继站和分站的电路结构如图3所示。其中图（a）表示中继站，图（b）表示分站。中继站和分站的电路结构相同，都是由两片2051和两片MAX485组成，不同之处只在4＃2051的软件编程方面。中继站的作用是将上位机的信号延伸至井下并根据需要扩展分站。其左端连接来至光电适配器的光缆，下行信号（由上位机方向发出并向井下智能终端传送的数据信号）通过MAX485进入中继站，经过串－并－串转换后继续通过另外一段光缆向下传递，直至分站。如果分站与中继站设置在同一个地点，它们之间可以直接通过普通电线直接相连。否则它们之间通过光缆相连。这种中继站和分站结构使得系统的扩展能力非常强，可以根据需要灵活通过中继站扩展分站。分站的左端连接来至中继站的光缆或者普通电线，下行信号通过MAX485进入分站，经过串－并－串转换后传送至各井下监控终端。其中4＃2051是实现多机通讯的关键器件。分站以下的单片机采用主从结构，分站中的4＃2051是系统的主机，各监控终端中的2051是系图3.中继站和分站结构图Fig3structureoftrunkingstationandsubstationMAX485MAX485MAX485MAX4851#20512#20513#20514#2051上行光缆下行光缆上行光缆智能终端（a）（b）图1井下供电自动化系统总体框图Fig1Structureoftheundergroundpowersupplyautomationsystem图2监控终端通讯电路Fig2communicationunitonmonitoringunitRAM2051MAX485分站3统的从机。主从结构的具体实现步骤如下：（1）4＃2051与各监控终端中负责通讯的2051都设置为串行通讯方式3。主机的SM2设置为0；从机的SM2设置为1，处于监听状态。（2）4＃2051在接收到寻址指令后，将地址信息字节的第9位设置为1，再发送给各智能终端。（3）所有监控终端的2051在监听状态下只能接收第九位为1数据信息。所有从机接收到地址后均进行识别，若地址信息与本机地址相符，就设置本机SM2为0，这时该从机从监听状态转入通讯状态，同时把本机地址发回主机。而其他从机仍然处于监听状态。（4）主机接收到从机的应答信号后，判断是否与发出的地址相符。若相符就清除TB8，正式开始发送数据和命令，否则发出复位信号，使得已经应答的从机回到监听状态。以主机和1＃从机的联络过程为例给出通讯例程如下。；主机呼叫1＃从机的程序：MASTR：MOVSCON,#0D8H；设置串口工作方式MA1:MOVSBUF,#01H；发送呼叫地址号WAIT1:JBCTI,WAIT2SJMPWAIT1WAIT2:JBCRI,MR1；等待从机应答SJMPWAIT2MR1:MOVA,SBUF；取出应答地址号XRLA,#01H；判断是否1号从机应答JZATT；是，转数据发送ERR:MOVSBUF,#00H；否，发送复位信号WAIT3:JBCTI,ERR1SJMPWAIT3ERR1:SJMPMA1；重新呼叫ATT:CLRTB8；联络成功，清地址标志，正式发送数据；1＃从机响应主机呼叫的联络程序MVSTR:MOVSCON,#0F0H；设置串口工作方式SR1:JBCRI,SR2；等待主机呼叫（监听状态）SJMPSR1SR2:MOVA,SBUF；取出呼叫地址XRLA,#01H；是呼叫本机吗？JNZSR1；不是，继续监听CLRSM2；是，发出应答地址号MOVSBUF,#01HWBT1:JBCTI,SR3SJMPWBT1SR3:JBCR1,SR4；等待主机发送SJMPSR3SR4:JNBRB8,BTT；是复位信号吗？SETBSM2；是，恢复监听状态SJMPSR1；继续监听BTT:MOVA,SBUF；联络成功，取主机发送的数据主机与各智能监控终端的通讯协议如表1所示。表1通讯协议包含的指令格式及功能Table1theformatandfunctionoftheinstructionincludedintheprotocol序号指令格式指令功能序号指令格式指令功能41F0复位8F7监视试验2F1合闸9F8保留3F2分闸10F9保留4F3参数整定11FA通讯终端5F4短路试验12FB上传整定6F5漏电试验13AD寻址7F6上传数据2.3数据库服务器应用程序数据库服务器应用程序采用可视化编程工具VisualBasic6.0进行开发。利用VisualBasic6.0中的串口通讯控件实现数据的轮寻采集，并将数据存储到数据库中。同时从“命令数据表”中查询控制命令请求，对各开关进行控制，包括复位、短路试验、漏电试验、监视试验、合闸、分闸、参数整定等。图4为上位机轮寻井下监控终端的程序流程图。开关轮寻是通过时间控件实现的。应用程序启动之后，时间控件就设置为有效。进入时间控件事件函数后首先将时间控件设置为无效，直到一次循环结束后退出时间控件事件函数前再次设置时间控件有效。时间控件有效后在设置的时间（这里设置为1ms）到来后重新进入该事件函数进行下一轮的轮寻。串口通讯程序主要实现对井下各智能监控终端的数据轮寻、参数整定、开关操作等功能其中需要特别注意的是串口通讯控件有两种通讯模式：文本模式和二进制模式。文本模式下从串口发出的数据都是相应的ASCII码；二进制数据收发模式下收发的数据都是二进制数据串。后者常用于监控程序控制字的收发。串口初始化程序如下所示。commMain.CommPort=intCommPortcommMain.Settings=cboBitPerS.Text&,&Left(cboJiaoyan.Text,1)&,_&cboDataNumber.Text&,&cboStop.TextcommMain.InputMode=comInputModeBinarycommMain.InBufferSize=20其中commMain.S