基于單片機的電動機智能保護裝置設(shè)計

1智能電機單臺智能監(jiān)控系統(tǒng)單網(wǎng)融合發(fā)展迅速,為數(shù)控機關(guān)實現(xiàn)信息融合,信息傳輸?shù)母尤婵刂?三隨著自動化程度的提高，除對單臺式電機的保護和控制有更高的要求外，對多臺式電機的運行需要集中監(jiān)控和通信，隨時了解每個電機的運行，并通過主機對信息的收集和存儲，以確保保護控制的準確性、及時和可靠。由保護控制裝置與控制計算機組成的電動機智能化控制中心不但能測量電動機運行參數(shù),做出統(tǒng)計分析,而且可實現(xiàn)對終端裝置的遙調(diào)、遙控,進而使智能化電器發(fā)展成為具有“四遙”功能的通信電器,使電動機單臺智能保護裝置成為多臺集中監(jiān)控保護系統(tǒng)。近年來,以現(xiàn)場總線(Fieldbus)為紐帶,把各個智能終端連接成可以相互溝通信息、共同完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。信息傳輸?shù)母淖円埠喕穗娖鞯慕泳€和安裝。采用PC機作為上位機,以單片機為核心的電動機智能保護裝置作為下位機,采用一點對多點,由上位機帶下位機的主從網(wǎng)結(jié)構(gòu),通過主機可以實現(xiàn)對下位機的“四遙”功能,達到對多臺電動機集中監(jiān)控的目的。2多臺電子表格保護2.1串行口通信設(shè)計CPU與外部的信息交換稱為通信,微機的基本通信方式有并行通信和串行通信兩種。串行通信節(jié)省傳輸線,廣泛用于工業(yè)控制和采集系統(tǒng)中。串行通信又分異步通信和同步通信,由于MCS-51系列單片機本身具有串行口,并且只支持異步通信,因此設(shè)計時采用串行異步通信方式進行數(shù)據(jù)通信。串行通信中要把數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端,必須使用通信線路,按照通信方式,數(shù)據(jù)傳輸方式分為單工、半雙工和全雙工三種。本設(shè)計涉及RS-422和RS-485通信標準,其中,RS-422采用全雙工通信方式,有兩隊平衡差分信號線,一隊用于發(fā)送,一隊用于接收,如圖1所示。RS-485是RS-422的變形,采用半雙工方式,如圖2所示。選用兩種接口標準,是為了使智能終端在運用于不同的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,兩者之間的轉(zhuǎn)換由短路環(huán)來控制。2.2集成系統(tǒng)的通信功能集散控制系統(tǒng)中通常采用樹形、總線形聯(lián)網(wǎng)控制結(jié)構(gòu),PC機作為主機,智能端作為下位機。樹形結(jié)構(gòu)中每一個智能終端與PC機直接相連。當多臺電動機使用時,需要較多的通信介質(zhì),成本高?？偩€形結(jié)構(gòu)每臺智能終端只要接在現(xiàn)場總線上,節(jié)省成本。根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)要求,電動機相對距離較遠,集中監(jiān)控系統(tǒng)采用總線形聯(lián)網(wǎng)控制結(jié)構(gòu),傳輸線路少,設(shè)備簡單,成本低。由PC機和智能終端組成的集散控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)通信是在PC機和智能終端之間進行的,智能終端之間不進行通信,每一次通信聯(lián)系是由主機發(fā)出地址信息開始的。在通信過程中,PC機和智能終端應(yīng)遵循相同的協(xié)議完成通信功能。當主機發(fā)送一數(shù)據(jù)塊給幾個從機中的一個時,它選送出一地址字節(jié),以辨認目標從機地址字節(jié)。從機在接收主機地址字節(jié)時均發(fā)生中斷響應(yīng)。這樣每一臺從機都檢查一下新接受的字節(jié),以判別自己是不是主機所要通信的目標從機,并準備接收即將來到的數(shù)據(jù)字節(jié)。沒有被尋址的從機則維持原狀,這些從機將不中斷響應(yīng)進入串行口的數(shù)據(jù)字節(jié),直到一個新的地址字節(jié)的來臨。2.3非法命令接收為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性,PC機和從機必須嚴格遵循相同的通信協(xié)議,才能保證數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的成功率。必須制定通信協(xié)議。(1)設(shè)置波特率,設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸格式,設(shè)定控制系統(tǒng)從機地址,地址為廣播地址,對所有從機都起作用,防止從機通信時出現(xiàn)意外故障,滯留于通信握手階段,避免整機系統(tǒng)死機,保證工作可靠性。(2)PC機發(fā)送的命令代碼的數(shù)據(jù)字節(jié)包括:電流、電壓、溫升、漏電、通信命令、通信智能終端控制命令、遙調(diào)控制命令,電動機接通、斷開控制命令,其余為非法命令。(3)PC機每進行一次數(shù)據(jù)通信,先發(fā)出一組命令代碼(碼頭,包括地址、命令、信息),碼頭通常包括智能終端端口號,數(shù)據(jù)字節(jié)長度,端口號反碼,命令代碼。從機通信時,先接受一個字節(jié)的地址信息,判斷是否為PC機所要訪問的智能終端。只有被訪問的從機才有顯示,接收碼頭的其余信息。這種通信方式減少了一次PC機與智能終端的握手時間。被訪問的智能終端在驗證完主機的反碼信息且進行完校驗和計算后,才向主機發(fā)送數(shù)據(jù)信息。(4)智能終端發(fā)出的數(shù)據(jù)幀是由主機發(fā)出的控制命令決定的。在遙測時,數(shù)據(jù)幀包括電動機的端口號,采集的電動機數(shù)據(jù)信息(電流、電壓、溫度和漏電)、電動機的故障信息及校驗碼。數(shù)據(jù)幀為變長度幀,在遙調(diào)、遙信、遙控時,數(shù)據(jù)幀包括電動機的端口號,各自的數(shù)據(jù)信息以及校驗碼。PC機在接收數(shù)據(jù)時,先將收到的數(shù)據(jù)求和,并與接收到的校驗和相比較,如果相等,則表明接收正確;否則,表明接收錯誤。PC機重新發(fā)送地址字節(jié),從機重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀。(5)傳送方式。PC機定時發(fā)送智能終端地址及命令幀,中斷方式接受從機信息;從機中斷方式接收主機地址和命令信息。3硬件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計3.1基于物理性能的集成系統(tǒng)設(shè)計在由多機組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,普遍使用PC機作為上位機。選用MCS-51系列微型單片機作為下位機,具有價格低廉、功能集成度高、抗干擾能力強等優(yōu)點,并且具有多機通信功能,適合于組成集散式控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)圖3分別設(shè)計控制系統(tǒng)各部分內(nèi)容,包括:接口標準選擇,PC機通信接口卡的設(shè)計,智能終端設(shè)計(包括信息處理單元、通信單元、掉電保護單元、硬件抗干擾措施的設(shè)計等)。3.2散控控制器的設(shè)計集散控制系統(tǒng)的軟件編程包括兩部分內(nèi)容:下位智能終端的編程和上位PC機編程。智能終端以80C32為核心,使用MCS-51匯編語言,指令簡捷、速度快。PC機的編程語言根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計要求,采用VisualC++5.0實現(xiàn)。集散控制系統(tǒng)的整體功能是由上位機和下位機相互配合來實現(xiàn)的,可以完成以下功能:實現(xiàn)一臺PC機和多臺下位機來進行聯(lián)網(wǎng)保護,隨時監(jiān)測下位機的運行參數(shù),電動機的三相電流、電壓、漏電電流及溫升。PC機軟件設(shè)計包括:(1)軟件平臺界面設(shè)計,起動畫面動畫顯示,圖形顯示。(2)預(yù)期故障分析,主要根據(jù)電動機過載時的實測值,分析可能出現(xiàn)的過載時間。(3)支持MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫,存儲電動機參數(shù)及運行時的各項值及查詢。(4)數(shù)據(jù)處理顯示時,列表和圖形顯示,并動態(tài)改變顯示內(nèi)容。通過確定操作系統(tǒng)、編程語言及選擇通信方式,進行軟件系統(tǒng)的設(shè)計和組成。4智能終端測試聯(lián)網(wǎng)保護試驗是對2臺裝置進行聯(lián)網(wǎng),驗證保護系統(tǒng)遙測、遙控、遙調(diào)和遙信功能。測試保護系統(tǒng)通信時的差錯性、穩(wěn)定性等整體性能,檢驗是否滿足設(shè)計要求。試驗線路見圖4。選取2臺智能終端A、B作為下位機,分別設(shè)置下位機的各項參數(shù)。保護裝置A額定電壓380V,額定電流10A,檢測相電壓。保護裝置B額定電壓380V,額定電流20A,檢測相電壓。PC機設(shè)置:終端選擇設(shè)為1.2,兩個從機波特率設(shè)為2.4kb/s,通信周期為3s,通信延時時間為50s。4.1主機使用原理遙測功能主要是定時獲得智能終端的電流、電壓、溫升和漏電信息,以分析電動機的運行情況。遙測周期由主機的定時器根據(jù)通信時間來設(shè)定。從機A、B遙測信息選擇電流、電壓、溫升和漏電。通過外視表顯示從機A、B狀態(tài),顯示主機所要遙測的各從機信息。也可用滾動視窗顯示從機額定電流和實際電流、電壓波形以及故障時的電流波形。4.2電機運行狀態(tài)信息遙信功能主要傳遞從機運行參數(shù)、各種開關(guān)量和故障信息。運行參數(shù)有電動機的額定電壓、額定電流。開關(guān)量主要有電動機的初始設(shè)置量:電動機運行時的環(huán)境溫度、絕緣等級、熱時間常數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)時間和檢測電壓設(shè)置標志。故障信息是電動機運行時的短路、漏電、堵轉(zhuǎn)和超時、過載、過壓和欠壓,缺相和相不平衡信息,隨著遙測信息每一周期傳遞一次,以便及時發(fā)現(xiàn)故障,作出處理。其余狀態(tài)信息是由主機發(fā)送遙信控制命令獲得的。遙信控制窗口在創(chuàng)建之前先獲得第一個智能終端的遙信信息,顯示在對話框中,其余智能終端信息由端口選擇列表來選擇。4.3主機提供了信號遙控功能是對電動機運行進行遠程控制,通過主機給智能終端發(fā)送信號,由智能終端控制接觸器的工作狀態(tài),以實現(xiàn)對電動機的通斷控制。通過按鈕或鼠標雙擊實現(xiàn)從機通、斷控制。4.4影響電機運行的因素遙調(diào)功能主要調(diào)整智能保護裝置的設(shè)定參數(shù)值,這種調(diào)整是在保護裝置運行時執(zhí)行的,參數(shù)的改變并不改變智能終端拔碼的設(shè)置值,實際改變了微處理器的RAM值。參數(shù)的遙調(diào)不影響電動機保護裝置的正常運行,只能提高保護裝置的保護性能。因此,應(yīng)該決定哪些因素可以調(diào)節(jié)是重要的。額定電壓、額定電流、絕緣等級是由電動機自身性能所決定,不能調(diào)節(jié)?？梢哉{(diào)整的參數(shù)有電動機停機時的散熱時間常數(shù)、電動機堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)時間和環(huán)境溫度。這種調(diào)整要通過長期觀察電動機運行情況,了解電動機的過載能力,并且通過檢測得到的溫升信息來決定。試驗結(jié)果表明,該裝置可滿足通信功能,對2臺智能終端的“四遙控制”是可靠、準確的,對多臺智能終端的“四遙控制”可結(jié)合現(xiàn)場運行時實現(xiàn)。5保證了控制系統(tǒng)的容錯能力電動機集中智能控制裝置可以實現(xiàn)32臺智能終端的聯(lián)網(wǎng)保護,采用RS-422/RS-485通信接口標準,使保護裝置適合于多