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      基于MC9S08AW32芯片的開關(guān)柜智能測控裝置設(shè)計及應(yīng)用

      2011年09月14日 13:43:58人氣:561來源:上海安科瑞電氣股份有限公司

      引言

      開關(guān)柜一般有斷路器(負(fù)荷開關(guān))、隔離刀閘、接地刀閘等一次開關(guān)設(shè)備。在運行或調(diào)試中,監(jiān)測這些一次開關(guān)設(shè)備狀態(tài)是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)的開關(guān)柜上,一般使用信號燈來指示這些狀態(tài)的,這樣做顯示不直觀,且接線不方便。開關(guān)柜智能測控裝置將一次設(shè)備狀態(tài)顯示與開關(guān)柜的一次方案圖相結(jié)合,LED顯示器件置于一次方案圖中設(shè)備符號所處位置,電路狀態(tài)一目了然,生動直觀,如圖1所示。
       
       
      同時集成的高壓帶電顯示、自動溫濕度控制、電參數(shù)測量功能使開關(guān)柜盤面簡潔大方,降低二次接線工作量。
       
       
      1 硬件設(shè)計方法
      1.1 設(shè)計平臺
       *處理器采用Freescale公司的*款基于高度節(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機,該單片機片上資源豐富,支持BDM片上調(diào)試功能,片內(nèi)集成看門狗電路,抗*力突出,具有業(yè)內(nèi)*的EMC性能。CPU總線頻率zui高可達20MHz,zui高運行速率可達40MHz。豐富的片上資源:32KB在線可編程FLASH存儲器,內(nèi)部時鐘發(fā)生器,帶有2個可編程定時器,豐富的I/O口:雙SCI口,SPI、I2C等接口,極大的方便了硬件的擴展。
       
      電能計量芯片采用美國ADI公司的高度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高,功能強大。該IC內(nèi)嵌高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號處理器( DSP),具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波、實用電能監(jiān)測、計量功能。芯片帶有一個SPI串行口、有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出,可用于各種三相系統(tǒng)中有功功率、無功功率、電能、電壓電流有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差所必須的信號處理電路。
       
      ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能,包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)。
       
      1.2 設(shè)計框圖
      裝置硬件電路設(shè)計框圖如下,整個系統(tǒng)以MC9S08AW32為核心,按功能可劃分為*處理單元、電源模塊、電壓電流采樣及運算、開關(guān)量控制模塊、溫濕度采集模塊、人機交互模塊、通訊模塊等。
       
       
      1.3 部分電路
       1.3.1*處理單元
       *處理單元電路圖如圖3所示,CPU對采樣信號進行處理計算,根據(jù)測量得到的電流、電壓、溫濕度值與預(yù)先設(shè)定的各種保護數(shù)值進行對比,由此來判斷開關(guān)柜的電壓電流是否正常、溫濕度狀況是否正常,若不正常則輸出相應(yīng)的告警信息。外部擴展了鐵電存儲器,用于存儲一些重要的參數(shù),即使以后升級程序也不會丟失先前的重要數(shù)據(jù)。
       
       
      1.3.2開關(guān)量控制模塊
      開關(guān)量控制模塊包括開關(guān)量輸入和告警輸出,其電路圖如圖4所示。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合接入CPU;告警由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到繼電器輸出。開關(guān)量輸入設(shè)有8路,依次對應(yīng)一次圖中的斷路器合、斷路器分、手車工作位置、手車試驗位置、接地刀位置以及彈簧儲能指示,其余預(yù)留。開關(guān)量輸入對應(yīng)一次圖可編程設(shè)置。開關(guān)量輸出設(shè)有6路,依次輸出加熱器1、加熱器2、風(fēng)扇、告警、照明、閉鎖的狀態(tài)。
       
       
       
      1.3.3 人機交互單元
      本裝置產(chǎn)品的人機交互界面采用LCD液晶顯示模塊。LCD采用128*128點陣顯示,初始界面為電參量顯示界面,通過按鍵輸入進入菜單設(shè)置界面,菜單選項均采用中文顯示界面,使得操作直觀易懂。通過菜單選項可以設(shè)置諸如接線方式、電壓變比、電流變比、告警定值、通信地址波特率等參數(shù)。低端產(chǎn)品則采用雙排四位LED數(shù)碼管顯示來溫濕度信息及各種可編程信息。用戶可根據(jù)實際需要進行設(shè)置各種告警定值參數(shù)、通信地址波特率等。
       
      1.4 評述
      本裝置采用的電源模塊為開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC90~285V或DC100~300V,輸入頻率45~60Hz,輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,輸出紋波<1%,轉(zhuǎn)換效率≥75%。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用,具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗*力。
       
      溫濕度傳感器采用SHT10,該系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片,具有超快響應(yīng)、抗*力強等優(yōu)點,提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。CPU與SHT10采用串行接口,在傳感器信號的讀取及電源損耗方面,都做了優(yōu)化處理。
       
      高壓帶電顯示模塊由高壓帶電傳感器輸入電信號,由此判斷此高壓柜是否帶電。由于母線電壓較高,所以高壓帶電顯示電路采用了各種過壓保護、隔離保護器件來確保裝置內(nèi)部電路的正常工作。
       
      此外,本裝置還集成有操控功能、人體感應(yīng)功能、語音防誤提示功能等。
       
       
      2 軟件設(shè)計流程
      系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主程序、通訊模塊2個部分。
       
      主程序完成上電或復(fù)位初始化,電能芯片初始化,其他外設(shè)初始化,溫濕度測量,讀取電參數(shù),電量計算,狀態(tài)顯示及報警處理,LCD顯示刷新及按鍵處理等功能,程序設(shè)計流程如圖5。
       
      CPU初始化主要指對CPU的特殊狀態(tài)寄存器SFR進行配置,設(shè)置I/O口的輸入輸出狀態(tài)及初始狀態(tài),讀取鐵電寄存器數(shù)據(jù)等;電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置;主程序其余部分則是對各項功能的完成,只有合理安排程序流程來完成這些功能,裝置才能可靠工作。
       
      通訊模塊以中斷方式實現(xiàn),主要完成接收數(shù)據(jù),協(xié)議處理等功能。通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約,便于上位機的通訊,與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用,實現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)的實時監(jiān)測。
       
       
       
      3 實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)及性能
      ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置的技術(shù)指標(biāo)見表1。產(chǎn)品設(shè)計時采用優(yōu)異的電磁干擾PCB設(shè)計技術(shù),生產(chǎn)時經(jīng)過整機帶電老化與出廠檢驗測試,確保了產(chǎn)品的長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。
       
                     表1 ASD裝置技術(shù)指標(biāo)
      技術(shù)參數(shù)
      指標(biāo)
      輸入
      網(wǎng)絡(luò)
      三相三線、三線四線
      頻率
      45~60 Hz
      電壓
      /電流
      額定值:AC 100V/
      過負(fù)荷:1.2倍額定值(持續(xù));2倍額定值持續(xù)1秒
      功耗:電壓回路小于 0.5VA;電流回路小于1VA
      輸出
      電能
      輸出方式:集電極開路的光耦脈沖
      脈沖常數(shù):32000imp/kWh
      通訊
      RS485接口,MODBUS-RTU協(xié)議
      精度
      電參量
      頻率0.05Hz、無功電能1級,其余0.5級
      溫濕度
      溫度:±1℃;濕度:±4%
      開關(guān)量輸入
      8路干接點輸入,內(nèi)置+12V電源
      開關(guān)量輸出
      輸出方式:6路繼電器輸出
      觸點容量:AC250V/
      電源
      AC90-285V,DC100-300,功耗≤8VA
      安全性
      工頻耐壓:AC2kV/1min;絕緣電阻:>100MΩ
      電磁兼容性
      兼容
      靜電測試:3級;脈沖群測試:4級;浪涌測試:4級
      環(huán)境
      工作溫度:-10~55℃;存儲溫度-20~70℃;相對濕度:5%~95%不結(jié)露;海拔高度:小于2500米
       
       
      4 應(yīng)用案例
       
      在某水泥廠高壓開關(guān)柜設(shè)計中,全部采用了ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置。應(yīng)用方案見圖6。圖中信號指示回路通過開關(guān)量輸入采集來實現(xiàn)一次原理圖指示;帶電顯示回路通過高壓傳感器輸入來指示母線是否帶電;溫濕度控制回路通過溫濕度傳感器輸入來實現(xiàn)溫濕度控制。并帶有Modbus通訊輸出, 供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。一改以往每個開關(guān)柜需配備不同廠家的多種產(chǎn)品,既減少了工程量節(jié)約了成本,又提高了系統(tǒng)的可靠性。投入試用的開關(guān)柜智能測控裝置以其良好的穩(wěn)定性和可靠性能保證了對開關(guān)柜內(nèi)的一次設(shè)備的保護,并且保證了對于電壓、電流、功率等參數(shù)的準(zhǔn)確測量和對電能的準(zhǔn)確計量,同時方便了用戶對開關(guān)柜的實時監(jiān)控。
       
       
      5 結(jié)語
      開關(guān)柜智能測控裝置針對電力開關(guān)柜的控制要求設(shè)計,適用于中置柜、手車柜、固定柜、環(huán)網(wǎng)柜等多種開關(guān)柜。該產(chǎn)品已經(jīng)系列化,集操作、顯示于一體,滿足多種客戶的需求,具有功能齊全、運行可靠、抗干擾性能*等特點,應(yīng)用前景十分廣闊。
       
       
      參考文獻:
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      [3] ADE7758數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].Analog Devices,2006.
      [4] 孫興麗,劉曙光. 一種開關(guān)柜智能操控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 高壓電器,2009.

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