电源一体化区域灭火物联网光口分站

孙晓东，刘永革

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3.沈阳煤炭科学研究所有限公司，辽宁 沈阳110011；4.开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山063018）

区域自动喷粉灭火抑爆系统将传统的煤矿被动灭火抑爆转变为主动快速灭火抑爆，达到良好的灭火抑爆效果[1]；矿用区域自动喷粉灭火装置是煤科集团沈阳研究院有限公司于2014 年国内首次申请煤安认证的产品。

为解决目前市场上区域灭火类产品现场工人在施工及维修维护设备过程繁琐，解决工人需要定期安排巡检人员对喷粉瓶检查是否漏气问题，解决煤矿对电源、分站、交换机多单机产品种类维护难问题[2]。设计一款电源一体化区域灭火物联网光口分站，一体化设计实现区域灭火小型集成化、结合MESH 网络实现设备巡检人员佩戴的监控设备信息上传以及巡检时设备异常报警提醒、结合网口、光口设备实现数据直接连如环网[3]，解决目前现场多以电源、分站、交换机的方式进行复杂上传问题。

1 系统架构

电源一体化区域灭火网口分站架构架构如图1，自诊断电源一体化区域灭火网口分站核心控制器采用STM32F429 单片机，主要用来对传感器进行轮询采集和人机交互及数据上传。由于区域灭火分站所连接的传感器均在10 m 以内进行连接，为了兼容老版本区域灭火且区域灭火联动机械设备目前多为无源触点方式，为了提高火焰传感器响应时间，因此还不能像煤矿安全监控系统一样进行全数字化设计。

图1 电源一体化区域灭火网口分站架构架构Fig.1 Architecture of power supply integrated regional fire network outlet substation

图1 中总线量传感器主要为烟雾传感器、一氧化碳传感器，采用RS485 接口，ModBus 协议；模拟量传感器主要为电流型压力传感器；开关量传感器主要为火焰传感器，因火焰传感器对火焰响应时间越快，喷粉灭火越及时，因此火焰传感器全硬件电路设计，避免单片机处理，提高了喷粉响应速度。

2 关键技术

电源一体化区域灭火网口分站原理图如图2。

2.1 模拟量信号隔离抗干扰

图2 电源一体化区域灭火网口分站电路原理图中T1部分为双路模拟信号隔离电路[4]。图中HN1的1 脚、2 脚为隔离信号输入，当输入信号为4～20 mA 电流型经电阻IV 变换后点亮输入发光管，输入信号大小与流过发光管电流大小成比例关系，发光管发出的光会在3 脚和4 脚的发光管上感应出正比于1 脚与2 脚发光管的电流，在5 脚和6 脚感应出正比于1 脚和2 脚光强度的电流。

电路中U1在信号输入处加入电压跟随设计，这样可以降低阻抗，避免了后级电路对输入信号的影响。电路中HN1的前半部分及运放U1和后半部分及运放U2采用隔离供电。这样可以阻断传感器到单片机部分的干扰。图中RK2电阻起到限流作用，选220 Ω。隔离信号输出与输入放大关系由传输增益K、RK4和RK52 个电阻取值决定，分析如下：

电路中假设输入电流经RK1电阻进行I-U 变换后电压为U1, 根据虚短原则流过HN1的3 脚与4脚反馈电流If为：

运放U2输出的电压设定为U2，对于运放U2由虚断法则可得U2为：

式中：I0为为HN1第5 脚和第6 脚感应出正比于1 脚和2 脚的LED 发光强度的感应电流。

由于芯片HN1传输增益K 器件制造出来即固定，约为1。

因此：

取电阻值RK5=RK4=100 kΩ 可得

即实现模拟信号一比一隔离传输[5]。

2.2 开关量及通讯隔离电路

图2 电路原理图中T6为光耦无源输出节点，用于异地常开常闭联动，图中当系统上电后，核心控制器U5的52 脚为低电平，此时K7光耦打开，53 脚处于高电平，K8光耦处于关闭状态，此时J6端组合为常开常闭触点。

T7部分为485 隔离电路。光耦GL3为485 收发控制隔离，GL1为发射隔离，GL2为接收隔离。光耦两端采用隔离后的电源进行供电。

T3部分为光耦输入隔离部分，J1、J2、J3为火焰传感器输入接口。传感器电源采用T2中BA1隔离后的电源进行供电，这样设计保障了分站电路的健壮性。当有外部火焰触发时，K1、K2、K3导通，对应单片机引脚输入高电平则认为对应火焰传感器有火。若不考虑成本，也可选用磁隔离进行设计。

2.3 电源一体化供电策略

图2 中T2部分电路为一体化电源设计，变压器T1采用自适应变压器[6]，其输入电压为90～900 VAC，经本安电源保护模块BA2后变为直流18 V 为电路进行供电。分站采用全隔离设计，在隔离后的芯片供电上多采用隔离电源方案。图中BA1隔离后主要为火焰传感器、压力传感器[7]进行供电。BG1隔离后的电源芯片主要为网口及通讯隔离后电路进行供电。

2.4 网光口

网口电路采用W5300 芯片，其与核心控制器采用总线方式对其寄存器进行配置。配置过程为上电初始化、通用寄存器配置、socket 寄存器配置。分站上电后，W5300 第66 脚拉低3 μs 后恢复高电平持续15 ms，保证锁相环稳定后对寄存器进行配置。

图2 电源一体化区域灭火网口分站原理图Fig.2 Schematic diagram of fire-fighting net outlet sub-station in power integration area

本机端口号设置通过端口寄存器里面的SO_PORTR 进行设置，通讯协议通过模式寄存器下的S0_MR 中P3-P0 进行设置。然后对控制寄存器S0_CR 通过置高开执行打开命令，此时若Socket0 寄存器中的S0_SSR 变为0x13，则初始化完成[8]。继续对S0_CR 发送监听指令0X02，此时若S0_SSR 状态变为监听0x14，则执行完侦听任务。W5300 设置为TCP 服务器；最后等待S0_SSR 改变为SOCK_ESTABLISHED（0x17），若S0_SSR 变为预期值，则建立了Socket0 连接，可以进行数据通信[9]。

为了实现对外光口进行数据传输，采用市场上常用的2 光3 电模块，实现电口转光口拓展。图中U5的92、93 引脚用于连接mesh 模块，通过串口和MESH 网口进行连接，当有手表或支持mesh 的巡检设备接入时，可以预警感知设备信息，实现物联。

2.5 分站软件

程序流程图如图3。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow chart

系统软件采用FreeRTOS，FreeRTOS 操作系统相比其他商业收费系统比完全免费。操作系统且具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点。通过操作系统可以合理高效的利用CPU 资源，保障系统运行的可靠性。FreeRTOS 是一个迷你的实时操作系统内核。主要包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可满足电源一体化区域灭火物联网光口分站设计。

3 结 语

设计了一款电源一体化区域灭火物联网光分站，实现了分站全隔离信息采集，提高了整体硬件设计的健壮性。将电源和交换机与分站集成在一起，一体化设计降低了区域灭火维护难度，可集中监控，一体化方案也适用于小型煤矿的煤矿安全监控系统设计。相比市场上其他区域灭火类产品将电源、分站、交换机组合方式更具有施工维护简单、集成化高、可扩展性强，使用维护安装方便等特点。提高了产品性能同时降低维护复杂度，降本增效，更具有实用性。