（机械电子工程专业论文）一种新型的低压智能综合保护器的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，自动化管理程度越来越高。低压动力设备被广泛地应用 于石油、化工、冶金、发电厂和工矿企业等部门，然而低压动力设备在运行过程中经常 由于使用不当而引发一些故障和不正常运行状态，低压动力设备能否安全可靠的工作， 将直接影响到生产的正常运行，本文设计了一套低压智能综合保护器，丰富和完善了低 压动力设备的控制和保护功能。 低压智能综合保护器能够根据负载电流变化，判断线路中的各种故障，及时进行保 护，最大限度的减少经济损失。保护器是基于c a n 总线技术，以a d u c 8 3 l 单片机为控制 核心，应用智能化方法实现各种控制，集过载、断相、接地、堵转、反时限和短路等故 障保护功能，在保护系统的硬件及软件设计中，采用多种容错方法和抗干扰保护措施， 提高控制系统在现场运行时的可靠性和稳定性。保护特性可根据用户要求自行设定，体 现了保护器的智能化特征，拓宽了该保护器的使用范围。同时针对不同的故障特征，提 出了一系列的保护措施。 在软件设计上采用模块化设计方案，实行自顶向下的设计思路，将比较大的功能任 务细分成几个比较小的功能模块，然后予以编程实现。在软件的实际开发过程中，充分 考虑了不同用户的使用要求，提高了整个软件的通用性。对热过载保护，给出了一种快 速有效、实时性好的算法，使得热积累值可以在l e d 显示器上比较准确地实时显示出来。 本文所设计的低压智能综合保护器已在实验室环境下通过测试，达到设计要求，实 现预定功能，并已经应用于实际现场中。 关键词：a d u c 8 3 1 ：智能化；综合保护器；c a n 总线；抗千扰 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 r e s e a r c ho nan o v e ll o w v o l t a g e i n t e l l i g e n ti n t e g r a t e di n s t r u m e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f d o m e s t i ce c o n o m y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t oa u t o m a t i cm a n a g e m e n t p o w e re q u i p m e n ti se x t e n s i v e l ya n dp o p u l a r l yu s e di nd e p a r t m e n t s o fo i l ，c h e m i s t r y ，m e t a l l u r g y , p o w e rp l a n t sa n di n d u s t r i a l e n t e r p r i s e s h o w e v e r ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s s e sa r eb r o k e nf r e q u e n t l yb e c a u s eo ft h ep o w e re q u i p m e n ti no p e r a t i o n d a m a g e d ，w h i c hi s c a u s e db ya b n o r m a l l yn a m i n gc o n d i t i o n s w h e t h e rp o w e re q u i p m e n t w o u l ds a f e l ym nw o u l dd i r e c t l ya f f e c to nt h en o r m a lu s i n gi nt h ef a c t o r y t h i n k i n ga b o u tt h e r e a s o n so fs a f e t ya n du s a g e ，l o w v o l t a g ei n t e l l i g e n ti n t e g r a t e di n s t r u m e n td e s i g n e di nt h i s t h e s i se n r i c h e sa n dp e r f e c t s c o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n g f u n c t i o no fl o w v o l t a g ep o w e r e q u i l ； m e n t l o w v o l t a g ei n t e l l i g e n ti n t e g r a t e di n s t r u m e n t w i l l p r o t e c tt h e i n s t r u m e n tr u n n i n g a b n o r m a l l yf r o md a m a g ea n dm i n i m i z et h em a l f u n c t i o nt i m ea n dr e d u c et h ee c o n o m i cl o s s t h en e wp r o t e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e db a s e do nc a nb u s v a r i o u si n t e g r a t e dc o n t r o la n d o v e r l o a dp r o t e c t i o n , p h a s ef a i l u r ep r o t e c t i o n ，g r o u n dp r o t e c t i o n ，l o c k e dr o t o rp r o t e c t i o na n d s h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o na r er e a l i z e db yt h ea p p l i c a t i o no ft h e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ( a d u c 8 3 1 ) t e c h n i q u ea n di n t e l l i g e n tm e t h o d a tt h es a n l et i m e ，i nt h ep r o c e s so f t h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ep r o t e c t i o ns y s t e m ，m a n i f o l ds e l f - c h e c k e de r r o rw a y sa n d a n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa r ea d o p t e dt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o l s y s t e mn m n i n ga t t h es p o t t h ep r o t e c t o rp a r a m e t e r sc a r lb es e tb yu s e r s ot h a ts c o p eo f a p p l i c a t i o ni ss t r e t c h e d al i s to fc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e so fj u d g e m e n tf o rt r o u b l ea n d p r o t e c t i o na r ep r e s e n t e dw i t hh i g hp e r t i n e n c e t h e p a p e ra d o p t sm o d u l a rp r o g r a m m i n gf r o mt o pt ob o t t o m t h eb i gf u n c t i o nm o d u l ei s d i v i d e dm a n yo ft h es m a l l e rm o d u l e s ，a n dt h e nt h ef i m c t i o ni sr e a l i z e d i nt h ep r o c e s so ft h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，i tt a k e st h eu s e r sv a r i e dr e q u i r e m e n ti n t of u l lc o n s i d e r a t i o n si no r d e r t oe n h a n c et h eu n i v e r s a l i z a t i o no ft h es o f t w a r e t h ep a p e rr e s o l v e dt h et h e r m a la c c u m u l a t i o n v a l u ec a l lb es h o w na c c u r a t e l yi nt h el e d t h er e s u l t so fs o m et e s t sp r o v et h a tt h el o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tp r o t e c t i o na n dc o n t r o l s y s t e mi nt h i st h e s i sc a nr e a c ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n ds a t i s f yt h ea p p l i c a t i o nd e m a n d s i t h a sw o r k e di nt h ef a c t o r y k e yw o r d s ：a d u c 8 3 1 ；i n t e l l i g e n t ；i n t e g r a t e di n s t r u m e n t ；c a nb u s ；a n t i - i n t e r f e r e n c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名趱 导师签名：趁兰垦 砷。石年f 月争目砷。七年f 月中目 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 概述 低压动力设备被广泛地应用于城乡变电站、石油化工企业、发电厂、企业变电、配电 室以及电力调度系统等诸多领域。低压动力设备中绝大部分都是三相交流电动机，交流电 动机作为动力单元，是所有动力设备的主力军，但电动机本身并不具备自我保护功能。因 此电动机在运行过程中，由于电网电压的波动、负载变化的无规律性以及短路缺相等一些 故障和异常运行情况，将严重损坏电动机的正常使用，造成工厂停产甚至威胁操作人员的 人身安全。能否安全可靠的工作将直接影响到整个工厂的正常运行。但其保护问题一直困 扰着继电保护专业人员及运行人员，尤其是解决电动机欠电流问题，一般是巡检人员通过 近身去听电动机的运行声音和运行状态并根据经验来判断电动机的运行情况【”。据不完全 统计，全国每年由于电动机过载、短路缺相和接地、过负荷及漏电等故障引起严重损坏的 恶性事故达数百起，短路故障往往造成严重的后果，经济损失巨大。根据中石油和中石化 有关部门统计，我国每年烧毁的电动机数量达2 0 万台次，总容量约4 0 0 0 万千瓦、直接损 失1 6 亿元、间接损失高达百亿元圆。随着我国经济的发展，电动机将会更加广泛地应用于 石油化工、冶金、纺织等部门，而且这些生产部门中正在逐步形成一种开放式、智能化、 网络化和模块化的电力综合自动化控制系统，因此从安全性及实用性的方面考虑，开发本 套系统有着十分重要的现实意义【 】。 电动机在运行过程中，可能发生各种故障和不正常运行状态，从而可能在电力系统中 引起事故。系统事故的发生，除了由于自然条件的因素以外，一般都是由于设各制造商的 缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高以及运行维护不当而引起的。因此，一方面应充 分发挥人的主观能动性，加强对设备的检修和维护；另一方面，由于故障的发生是不可避 免的，故障一旦发生，则必须迅速而有效的切除故障，这是保证电力系统安全运行的最有 效的方法之一。电动机综合保护器在电力系统中发挥着重要作用，其工作稍有差错，就可 能对电力系统的运行造成重大影响，因此如何提高智能综合保护器的可靠性也就日益被人 们所关注。 随着微电子技术和计算机技术的发展，综合目前国内外智能保护器的发展现状，以及 根据实际现场所提出的要求，只有保证保护装置的稳定可靠工作，才能保证底层设备的合 理使用，才能保证使用单位免受经济损失，才能保证巡检人员的人身安全，才能使先进的 后台工作站做得更加完美出色。因此在深入研究目前技术成果的基础上，加以保证系统实 时性和抗干扰性的前提下，研制出一种低压智能综合保护器十分重要。本套保护器通过精 密电流、电压互感器将现场采集到的电流、电压信号经过高精密运算放大芯片将模拟量转 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 变成数字量，再加以各种抗干扰措施，并通过中断服务程序检测是否发生故障，利用 a d u c 8 3 1 单片机控制键盘和显示，并通知执行机构根据预先编写的程序做出相应的动作， 经c a n 协议控制器和驱动芯片打包成c a n 总线可以识别的数据包形式，上传到相应的控制 器或后台中。信息的传输可以有两种方式：一种是直接通过c a n 总线将各种运行、变位和 报警信息上传到低压自动化工作站，低压自动化工作站再经过专用的通讯接口卡和组态软 件将c a n 数据包解析成可以识别的数据类型。低压自动化工作站由组态软件、监控主机和 通讯接口卡等相关部件组成。组态软件应用在监控主机平台上，它是全变电所数据采集设 备监视、测量和管理的中心，可接受现场采集的数字量和模拟量信息，以及向低压智能综 合保护器发布参数设置，可以向上级调度室中央网络数据服务器发送报文。通讯接口卡负 责与底层低压智能综合保护器进行通讯，将数据传到工业现场内低压自动化工作站上，并 在监控主机的显示屏上显示各种上传信息。此外，另一种方式是通过开发研制的g a t e w a y 板卡将底层上传的c a n 总线数据包、r s 2 3 2 数据包或r s 4 8 5 数据包，经控制芯片处理后直 接将各种上传信息显示在g a t e w a y 板卡的l c d 液晶显示器上，以方便巡检人员及时了解底 层设备的运行情况；也可通过g a t e w a y 板卡将数据打包成网络可识别的通讯协议 u d p i p 协议，通过e t h e r n e t 传输与安装有专用软件的远程网络监控主机通讯，实时检测 底层设备的运行情况嘲。本套综合保护器不仅可以独立工作在底层设备上，而且还可与馈 出综合保护器、联机逐台再启动综合保护器以及多组启动电动机电容的自动投切综合保护 器配套使用，满足用户的各种需要。 传统的电动机保护装置采用熔断器、接触器与热继电器保护方式。熔断器与刀闸开关 是使用最早、最简单的保护方式。熔断器主要用于短路故障或严重过载时保护供电设备和 供电网络的，实际上它对电动机不起直接保护作用。当熔体熔断时，又往往会造成电动机 缺相运行而烧毁。许多人把熔断器的作用看成是保护电动机，这是一个错误的概念。现代 的熔断器熔体截面积按电动机额定电流的1 , 5 2 5 倍来选择是不符合实际的。电动机启动 时受到7 - - 8 倍额定电流的大电流冲击，但因时间短，理论上是可以在熔体不熔断的情况 下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上存在随机“缺陷”，在电动机启动时 很容易发生某相熔断，而使电动机处于缺相状态，从而造成对电动机的损坏。因此熔断器 保护的使用有着相当大的局限性。 热继电器是我国5 0 年代初从前苏联引进的产品，是用于电动机因过载引起的过电流 保护装置，因热继电器具有反时限特性和结构简单、使用方便等特点，一直延用至今。但 是环境温度对热继电器参数影响较大，双金属片整定方法粗糙。热继电器安装在电动机机 壳外，一旦发生通风受阻、堵转和长期轻微过载使电动机绕组产生热积累等，导致热继电 器无法保护电动机，因为热继电器是串连在主回路中的，与电动机绕组温度无直接关系。 大连理工大学硕士学位论文 当电动机达到一定温度时，热继电器动作，断开电动机的供电电路。热继电器在电动机的 轻过载区存在着“保护死区”，在该区域电动机将得不到有效的保护。电动机在重载启动 的条件下，电动机需要为额定电流的7 8 倍的启动电流维持2 0 3 0 秒，才能进入正常运 行状态，但是双金属片热继电器在此倍率下的动作时间为1 0 秒左右，不能适应这一状态 的保护。另外热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能，而当热继 电器真正起到保护作用动作几次，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能 继续使用，必须全套更换。因此热继电器保护的使用有着相当大的局限性 瑚。 温度保护是利用安装在电动机内部的温度传感器来实现的。当电动机达到一定温度 时，继电器动作断开电动机的供电电路，但究竟将热继电器的传感器预埋于电动机的哪一 部位才能最全面有效地检测电动机绕组的温升，从而灵敏地切除故障是不能确定的，从而 延误保护动作的时间而使故障扩大，也就是说它的检测功能是局部的。况且，由于传感器 埋在电动机绕组里，对传感器的维护检修极为不便，必须拆除电动机本身才能对传感器进 行检修。因此温度保护的使用有着相当大的局限性。 常规电子式保护器，检测元件一般采用速饱和电流互感器，不存在发热问题，其动作 稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。但是常规电子式保护器均采用人工可调定时限保护 特性，无法实现与电动机热过载保护特性曲线相匹配的反时限特性保护，只能实现“单点 式”保护，并且该保护装置一般采用定时避开启动电流过大的措施，以防止正常启动的保 护误动作。也就是在电动机启动初期，保护器作适当延时，延时时间大于启动时间，在延 时过程中，保护器不作任何检测，以便跳开启动过程，延时结束后再进入正常检测状态， 如目前市场上的晶体管保护器就是采用这种方法。但是如果启动过程中出现异常故障，则 电机就得不到保护。另外，由于电网电压波动、干扰或自身发热等因素，其故障率也很 高。因此电子式保护的使用有着相当大的局限性。 微机保护是近二十余年发展起来的一种新型保护。微机保护深受广大用户的欢迎，其 发展速度越来越快，主要原因是： ( 1 ) 性能优良：由于单片机的应用，原有保护极难解决甚至不能解决的问题，通过提 出适当的算法，简单的编程即可得到满意的解决。 ( 2 ) 可靠性高：由于采用了极强的计算分析和逻辑判断能力的单片机，微机继电保护 可以实现常规保护器很难办到的自动纠错，有效地防止了由于干扰造成的误动作。同时利 用装置的自检功能，旦保护装置本身出现故障，可及时检出并发出报警信号。 ( 3 ) 灵活性强：微机保护的功能是通过软件实现的，修改程序就可以改变保护的特性 和功能。因而可以在不改变硬件的前提下，实现不同的保护功能。 臧大鹏：种新型的低压智能综合保护器的研制 ( 4 ) 易获得附加功能：微机保护可利用其数据处理和控制功能，如果上位机配置打印 机或其它显示设备就可以同时完成打印、故障录波和故障检测等功能，这样有助于运行部 门对事故的事前分析和事后处理。 ( 5 ) 维护、调试方便：由于单片机保护有自检功能，所以对单片机保护装置可以说几 乎不用定期校验，所以对厂家和用户都大大减轻了维护的工作量。 因此开发本套系统对保护电动机有着重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 国外对于电动机保护器具有很成熟的技术，并且已经研制出了高效自动化的检测和处 理系统。法国的施奈德公司是世界上生产电力与控制的主要公司之一。施奈德电气取得并 发展了四个在电气相关工程领域具有领导地位的品牌：梅兰日兰、莫迪康、美商实快电力 和t e 电器，是一个专业化的、组织完好的企业。他们通过检测电流、电压，然后转化为 数字信号输入单片机，然后进行数据处理，显示并打印出变形图。 苍南自动化仪器总厂是一家专业研制电动机保护器的企业。主导产品w d b 系列微机监 控电动机保护器采用单片机、e 2 p r o m 存储等国际上先进技术，并配有r s 4 8 5 串行接口 及4 2 0 m a 信号输出，可实现计算机通讯、检测、控制等功能。 宁波市海曙巨龙电气厂生产的u l - e 2 系列电动机保护器具有对称性故障( 如过载、堵 转、过压、欠压等) 及非对称性故障( 如断相、电流不平衡) 的保护功能，与交流接触器 配合使用能对任何类型三相电动机起快速的保护。整个系统采用串芯式、全封闭结构，输 出采用固态电子开关。 1 3 课题的主要研究内容 本课题立足于单片机控制系统和现场总线技术，运用先进的单片机芯片及外围扩 展设备，设计具有良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到性能稳定、精度高、 响应快、操作方便、功能齐全、移植性好等特点，达到同类产品的国内先进水平。先 进的现场总线技术、完善的监控功能和很强的抗干扰性是本课题的特色。另外根据综 合保护器参数特性、数据形式以及电力系统网络化的快速普及，还增加一个功能模 板网关( g a t e w a y ) 板卡，该板卡通过c a n 总线与低压智能综合保护器相联，采集 到的信息再通过网络传输模块，由r t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片将c a n 数据包打包成网络中的 u d p i p 协议数据包，通过以太网传输，最终传输到连接在网络上的远程控制主机，再 通过专用软件解析u d p i p 数据包和c a n 数据包，将所要上传的运行和开关量等信息显 大连理工大学硕士学位论文 示在调度室控制主机的监控屏幕调度室的操作人员可通过良好的用户界面对综合保护 器进行设置、跟踪访问，操作人员可以任意选择联接在网络上的保护器，查看其运行 状态。也可直接通过g a t e w a y 板卡的键盘和显示模块对底层综合保护器进行参数设 置、查询访问。 本课题是2 0 0 4 年4 月初，在充分了解了国内外相关产品的开发现状，认真研究了当 前市场上同类产品的优点和不足，并且很好地结合国内用户的使用环境及需求后，进行的 相关开发与设计。同时进行了充分的市场调研，认为该产品具有良好的市场前景和可观的 经济利润。依靠当前成熟的技术力量，完全可能在同类保护器产品的基础上开发出具有更 加完备功能的新产品。 事实证明，本课题经过近一年多的市场调查、方案设计、研究开发、仿真调试以 及产品测试，取得了非常好的研究效果，通过设计院等相关部门的检测标准，并且已 经在抚顺石化二厂、三厂等大型炼油厂投入生产运行，取得了非常好的效果，达到了 预期的目的，成功地实现了低压电动机智能保护的网络化、数字化和智能化的产品要 求。 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 2 系统总体方案设计 本系统借鉴目前国内外同类相关产品的设计理念、设计特点以及技术经验，根据 实际项目的具体需求和生产成本等因素要求，采用先进的微控制器技术和现场总线技 术进行设计开发。 2 1 系统总体方案概述 本课题为工程实际项目，根据产品要求，大体确定以下总体方案： ( 1 ) 确立目标系统的体系结构 ( 2 ) 总体设计 低压智能综合保护器实现了对电动机的三相过电流、零序电流、不平衡电流、缺 相以及欠电压等多重保护功能。对三相交流异步电动机保护的难点在于：一是对电动 机的启动过程如何进行有效的故障判断及保护；二是如何给予电动机故障合理的差别 依据及抗干扰处理。由于电动机启动的瞬间，启动电流非常大，通常为电动机额定电 流的7 8 倍。但随着电动机的转速增大，电流逐步减小，在额定负载下，启动电流最 终稳定在额定电流上，这一过程称为电动机的启动过程。从这一过程中可以看出，在 电动机启动的瞬间，电动机实际上处于堵转运行状态，而此后的过程中电动机一直处 于过电流运行状态，但这一过程是必须经过的，属于正常现象 14 1 。若采用常规方法进 行堵转、过电流故障检测，则必然会产生误判断，造成电动机无法正常启动。为解决 这一问题，采用避开电动机启动电流的方法：通过操作人员手动设置启动延时时间 ( o 3 0 0 秒可设) 来避开电动机启动电流大的问题，在启动延时时间内系统不对电动 机作任何的保护措施，以便电动机可以i l i o n 启动。该方法的缺点是：在启动延时时间 内系统不对电动机进行保护，因而对电动机有一定的损害，但是由于该时间为可设定 的时间，时间的长短可以根据电动机的参数大小和现场工作人员的经验进行设置和修 改，很容易找到一个合理的时间来避开误动作。在启动延时时间到之后，系统进入正 常的保护控制，这样既能进行正常的启动，又能监测故障，大大地提高了对电动机的 保护能力。 为了进一步提高保护性能，针对电动机经常出现的过电流现象，根据实际现场的 需要，可以分别采用极端反时限过电流保护方法和z 增安型防爆电动机的过电流保护 方法。在过电流保护中传统的方法是使用定值判断保护法。定值判断保护法就是根据 不同的电动机将过电流保护域值设置为定值，一旦运行电流超过该保护域值就视为出 现过电流故障。但是如果遇到电网电压波动、电动机负载正常值的上下波动以及电脉 大连理工大学硕士学位论文 冲干扰等情况，容易发生误动作。要消除误动作，就必须增大保护域值，这必然会降 低过电流保护的灵敏度，降低保护性能。当采用极端反时限过电流保护，其保护时间 可依据公式( 2 1 ) 计算 2 l 】： 赤 ( 2 1 ) 其中k 为时间常数，提供有1 5 、3 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 共6 种可供用户选择， l 为电动机运行时的实际电流值，单位( a ) ， l 为电动机的额定电流值，单位( a ) 。 例如，取k = 3 0 ，t = 5 0 a ，l = 7 5 a ，根据公式计算得t = 2 4 s ，则电动机在额定 电流为5 0 a ，过载电流7 5 a 下运行2 4 秒后系统将跳开接触器，以便对电动机进行过电 流保护。 z 增安型防爆电动机的过电流保护动作时间f 可依据公式( 2 2 ) 计算： 嘲( 等 2 ( 2 2 ) 其中z 为时间常数1 5 可设， t 为电动机运行时的实际电流值，单位( a ) ， t 为电动机的额定电流值，单位( a ) 。 例如，取正= l ，t = 5 0 a ，t = 7 5 a ，根据公式计算得t = 2 7 8 s ，则电动机在额定 电流为5 0 a ，过载电流7 5 a 下运行2 7 8 秒后系统将跳开接触器，以便对电动机进行过 电流保护。 ( 3 ) 模块设计 系统中由多个插件组成，分别为模拟量输入有源开关输入插扳、键盘显示c p u 串口插板、c a n 接口继电器输m 系统电源输入插板和网关插板。 模拟量输入有源开关输入插板 本插板包括有三相电流、零序电流、单相电压和4 路有源开关量的输入。其中- - 相电流信号和零序电流信号都使用精密电流互感器，输出信号范围在0 7 0 0 m a 之间， 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 正常工作时0 l o o m a 。单相电压信号使用电压互感器，输出信号范围在0 l v 之间。 模拟量输入： a ) 三相电流( 0 - - 5 a 可测，启动电流按8 倍计算；为方便a d 的输入，也可转换成 电压o 一2 5 v 来监测；需要考虑信号过电压问题，可以在检测输入回路上增加一个压 敏电阻或稳压二极管来保护a d 的输入) 。 b ) 零序电流( 0 - - 5 a 可测；为方便a d 的输入，也可转换成电压0 2 5 v 来监测； 需要考虑信号过电压问题，可以在检测输入回路上增加一个压敏电阻或稳压二极管来 保护a d 的输入) 。 c ) 单相电压( 转换成0 2 5 v 来测；需要考虑信号过电压问题，可以在检测输入 回路上增加一个压敏电阻或稳压二极管来保护a d 的输入) 。 有源开关输入： 检测4 路分支回路的开关状态( 分别为：接触器、刀闸、空气开关和空开脱扣4 个开关量状态) 。 键盘显示c p u 串口插板 c p u ( a d u c 8 3 1 ) 按照r o m 中设定的程序，每隔l o m s 读取一次a i d 采集来的数据， 并接收电流信号输入、电压信号输入、有源开关量输入信号，将结果送到r a m 中预定 的地址空间，再进行滤波、计算，并将计算结果同预先设置好的初值进行比较，以决 定程序的流程。同时c p u 进行以下工作：读取开关量，并根据开关量的状态执行相应 的程序；根据计数和判断结果，决定出口驱动部分的工作状况；在检查装景异常或有 报告时，发出相应的命令及信息。出于对工业现场实际环境的考虑，本系统显示部分 采用5 位l e d 数码管来显示相应的电动机信息，如三相电流、零序电流、单相电压、 运行时间、运行次数、开关量状态以及当前时间等一些相关的信息。 c a n 接口继电器输出系统电源输入插板 本插板主要包括c a n 接口、系统电源输入、继电器输出。系统要将采集的数据汇 总进行处理，首先必须进行可靠的数据传输。本系统采用c a n 总线作为数据的通信网 络和c a n 总线的协议标准兼容的软硬件程序，将电动机运行信息和故障信息发往总调 室，总调室采用专用的c a n 通讯接口卡接收数据进行统一调度。继电器直接与接触器 和空气开关的控制端相连，通过相应的动作来决定电动机应该处于运行状态还是停止 状态。系统电源则提供了系统的模拟电源和数字电源共5 种电源，为系统的正常运行 提供可靠的保证。 网关插板 本插板主要包括c a n 接口、r s 2 3 2 接口、4 8 5 接口和网络接口。系统要将c a n 数据 大连理工大学硕士学位论文 包或2 3 2 数据包或4 8 5 数据包的数据( 三者不能同时传输) 打包成网络可以识别的 u d p i p 数据包，采用u d p i p 通讯协议通过以太网传输到目的主机中，目的主机再经上 层专用软件解析所收到的数据包，实时反映底层保护器的运行信息及状态，实时跟踪 检测报警和变位信息，使远程监控人员能够了解底层设备的运行情况，方便总调室进 行统一调度。 ( 4 ) 数据采集和抗干扰设计 本系统需要对电动机的三相电流、零序电流、单相电压等现场信号进行数据采 集，不仅要对电动机的过电流、电流不平衡、零序电流、欠电压和缺相等故障的多重 保护功能，而且还应具有很强的抗干扰性，具体措施在第7 章中会有详细的介绍。 2 2 现场总线的选用吲 本系统决定选用现场总线方案，因而如何在众多的现场总线当中选择一个最适合 本系统控制的现场总线是首先要解决的问题。 目前，世界上出现多种现场总线的企业、集团或国家标准。较流行的现场总线主 要有以下五种：l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、f f 、c a n 。 ( 1 ) l o n l v o r k s ( 局部操作网络) 局部操作网络( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司研制。 采用l o n t a l k 通信协议，该协议遵循国际标准化组织i s o 定义的开放系统互连 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 全部7 层模型。 ( 2 ) p r o f i b u s ( 过程现场总线) 过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是德国标准，1 9 9 1 年在d i n1 9 2 4 5 中公布了标准，p r o f i b h s 引入功能模块的概念，不同的应用需要使用不同的模块。在 一个确定的应用中，按照p r o f i b u s 规范来定义模块，写明其硬件和软件的功能，规范 设备功能与p r o f i b u s 通信功能的一致性。 ( 3 ) h a r t ( 可寻址远程传感器数据通路) 可寻址远程传感数据通路h a r t 是美国r o s e m o u n t 研制，h a r t 协议参照i s o o s l 模 型的l 、2 、7 层，即物理层、数据链路层和应用层。 ( 4 ) f f ( 现场总线基金会) 现场总线 现场总线基金会( f f ) 是国际公认的唯一不附属于某企业的公正非商业化的国际 标准化组织，其宗旨是指定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人 使用。现场总线标准参照i s o o s i 模型的第1 、2 、7 层，即物理层、数据链路层和应 用层，另外增加了用户层。f f 推行的现场总线标准以t e c i s as p 一5 0 标准为蓝本。 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 ( 5 ) c a n ( 控制器局域网络) 控制器局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是由德国b o s c h 公司从8 0 年代 初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通 信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速 率可达1 m b s p 。c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完 成对通信数据的帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项 工作。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进 行编码。c a n 协议采用c r c 校验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠 性。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互 连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。 分别从控制系统的性能、安全性、标准化、可互操作性和成本等几个方面对这五 种现场总线进行综合比较，发现f f ( 现场总线基金会) 现场总线与c a n ( 控制器局域 网络) 具有较大的技术优越性。由于c a n 总线在技术上比较成熟，最终选用c a n 总线 作为本系统的现场总线。 大连理工大学硕士学位论文 3 现场总线技术 随着现代技术的三大基础传感器技术、通信技术和计算机技术的发展，传统的集 散控制系统d c s ( d m m b m e dc o n t r o ls y s t e m ) 日益显露出它的不足，如无法监控现场仪表 及设备、分散化不足、需要大量信号电缆等。因此，现场总线( f i l e db u s ) 技术的出现及 应用，在工控领域内引发了一场革命。 3 1 现场总线简介 根据国际电工委员会i e c ( i n t 日 n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和现场总线 基金会( f i e l db u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接现场智能设备与自动化系统之间 的全数字式、开放的、双向的、多分支结构的通信网络。它按国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 标准提供网络 服务。可以说它是现场通信网络与控制系统的集成。 现场总线控制系统是一种新型的网络集成自动化系统，它以现场总线为纽带，把控 制、补偿计算、参数修改、显示、报警等功能分散到各个现场仪表，把挂接在总线上相关 的网络节点组成一个完整的自动化系统。 现场总线是一个工业过程控制新时代的开端。它能够使用一对简单的双绞线给现 场设备供电，并传输现场设备与控制室之间的通讯信号。现场总线的节点是现场设备 或现场仪表，这些仪表都遵循统一的标准和规范，按照系统化和开放型的要求，实现 数字化、智能化、标准化，并且增加远距离操作和就地控制功能。但它不是传统的单 功能仪表，而是具有综合功能的智能仪表，如智能压力传感器节点，不仅具有信号变 换、补偿功能，而且具有运算功能。 现场总线的本质含义表现在以下五个方面【2 习： ( 1 ) 现场通信网络 现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备，是用于过程自动化和制造自 动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。而传统的集散式控制系统d c s 的通 信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表仍然是一对一模拟信号传输。 ( 2 ) 现场设备互连 现场设备或现场仪表是指传感器、变送器、执行器等，这些设备通过一对传输线 互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等，并可根据需要因地制宜 地选择不同类型的传输介质。 臧大鹏：一种新型的低压智能综合保护器的研制 ( 3 ) 互操作性 现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全 部现场设备，所以互相连接不同制造商的产品是不可避免的。当然，用户不希望为选 用不同的产品而在硬件或软件上花很大力气，而希望选用各制造商性价比最优的产品 集成在一起，实现“即接即用”；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成它 所需要的控制回路。这些就是现场总线设备互操作性的含义。故而，现场设备互连是 基本要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成现场总线控制系统f c s 。 ( 4 ) 分散功能块 f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分散地分配给 现场仪表，从而构成虚拟控制站。例如，流量变送器不仅具有流量信号变换、补偿和 累加输入模块，而且具有p i d 控制和运算功能块：调节阀的基本功能是信号驱动和执 行，还内含输出特性补偿模块，也可以有p i d 控制和运算模块，甚至有阀门特性自校 验和自诊断功能。 ( 5 ) 开放式互连网络 总的来说，现场总线技术是计算机、通信、控制三种技术的集成，是用于现场仪 表与控制系统及控制室之间的全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多 站、互连的通信系统。 对于工业领域，现场总线采用数字信号传输，其抗干扰能力强、精度高，可以大 大节约连接导线、维护和安装费用。同时，现场总线能够传送多个过程变量。传统的 4 2 0 m a 控制回路一般只能携带一个信号，通常称为过程变量。而采用现场总线后，在 传输变量过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。数字信号的精 确性是现场总线的又一个优点，数字信号比4 2 0 m a 模拟信号分辨率高，因此，可排 除过去在模数转换中产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场仪表后也将成为可 能。由于现场总线是双向的，操作员在控制室既可了解现场设备或现场仪表的工作状 况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监视与可 控状态，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 3 2c a n 总线技术 控制器局部网( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司为现代汽车应用领先 推出的一种多主机局部网。c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多 的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达i m b p s 。c a n 总线通信接口 大连理工大学硕士学位论文 中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填 充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 c a n 总线与其他总线相比有如下特点： ( 1 ) c a n 总线可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个节点均 可在任意时刻，主动地向其它节点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点，可以方 便地构成多机备份系统。 ( 2 ) c a n 总线可以点对点、点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。 ( 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送消 息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响地继续发 送信息，有效避免了总线冲突；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时 要求。 ( 4 ) c a n 总线支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结 构，每帧有效字节数为8 个。这样传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短，且具 有良好的检错效果。 ( 5 ) c a n 总线采用循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 以及其他校验 措施，保证了极低的信息出错率。 ( 6 ) c a n 总线节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，自动切断与总线的联 系，这样可不影响总线的正常工作。 ( 7 ) c a n 总线直接通讯距离最远可达l o