（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的煤矿井下水泵电机网络监控系统的研究.pdf

a b s w a e t a b s t r a c t a tp r e s e n t , d o m e s t i ce o a l m i n ep u m pm o t o rm o s tu s i n gt r a d i t i o n a lm a n u a lc o n t r o l ， t h a ti s ，t h ea r t i f i c i a la d dt h er e l a y sc o n t r o lm e t h o d s t h i sa p p r o a c hc o n t r o lc i r c u i t c o m p l e x i t y , e q u i p m e n t r u nal o wd e g r e eo fa u t o m a t i o n , r e l i a b i l i t y b a d ，w o r k e r s l a b o r - i n t e n s i v ea n di t sh a sab a de m e r g e n e yr e s p o n s ec a p a b i l i t y i nv i e wo f c o n t i n u i n g i m p r o v e m e n tt h ec o a lp r o d u c t i o ne n t e r p r i s es e c u r i t yr e q u i r e m e n t sf o rt h ec u r r e n t c o u n t r ya n dd e v e l o p m e n to ft h ee n t e r p r i s e so w ne n c o u n t e r e dp r a c t i c a lp r o b l e m s ， d e v e l o p e db a s e d o na r m sc o a lm i n ew a t e rp u m pm o t o rn e t w o r km o n i t o r i n g s y s t e m ，n o to n l yc a na c h i e v et h ew a t e rl e v e ld e t e c t i o n , t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n , f l o w d e t e c t i o n , p u m ps t a r t ，s t o pa n di t sp r o c e s sc o n t r o l ，e t c ，c a l la c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o n , p r o c e s s i n ga n ds oo n t h e r e f o r e ，t h e r ea r eh a v et h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：t h ew a t e r l e v e ld e t e c t i o na n dd i s p l a yr e a l - t i m eo n l i n e ；p u m ps t a r ta n ds t o pc o n t r o l ；m a n yp u m p s r e a l t i m e ”s h i f tw o r k ”；a c c o r d i n gt ow a t e rs i z ea n du s eo fp o w e r ”p e a ka v e r t i n gv a l l e y ” p r i n c i p l e ，p u ti n t oo p e r a t i o nt oc o n t r o lt h en u m b e ro fp u m p s ；a n dm o n i t o r i n gc e n t e r n e t w o r k i n g , i m p l e m e n t a t i o no f c e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h em o n i t o r i n gs y s t e mc o m p o s eo f m o n i t o r i n gc e n t e r ，m o n i t o r i n g t e r m i n a l sa n dr e m o t ea c c e s s i t sm a i n l yi n t r o d u c t i o nt h eh a r d w a r ed e s i g no f m o n i t o r i n g s y s t e m ，m o t o rp r o t e e t i o na l g o r i t h md e s i g n ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n d s y s t e mm o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g n m o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ed e s i g nm a i n l y f o rt h eh a r d w a r e d e s i g no f m o n i t o r i n gt e r m i n a l ，i t i su s e ds 3 c 4 4 0 xa sat e r m i n a lt r e a t m e n tc h i p a n di n a c c o r d a n c e 、i mt h em o n i t o r i n go f k e yp a r a m e t e r ss u c ha sp u m pm o t o rc u r r e n t ，v o l t a g e ， t h ew a t e rp u m p ss t a t eo fs t o p p i n ga n do p e n i n g ，m o t o rt e m p e r a t u r e ，t h ew a t e rl e v e lo f w e l lb o t t o ms u m p ，t h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p o r tf l o wo fw a t e rp u m p s ，t h r o u g h t h ea r m e x p r e s sd e a lo fc o m p u t i n gc a p a c i t y ，r e a l t i m et oc a l c u l a t et h ew a t e r - p u m p t h r e e p h a s ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r , p o w e rf a c t o ra n do t h e rp a r a m e t e r s ，w e l l b o t t o ms u m pw a t e rl e v e la n do u t l e tf l o wo fw a t e rp u m p ，t h et h r e e p h a s ev o l t a g ea n d c u r r e n tv a l u e sa c c u r a t e l yo fw a t e rp u m p s t od e a l 、i mt h er e s u l t so fc o m p u t i n gv i a e t h e m e ts e n dt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rd i s p l a y i n ga n d p r i n t i n g ，w h i l em o n i t o r i n gc e n t e r s e n d i n gc o n t r o lc o m m a n d st ot h em o n i t o r i n gt e r m i n a li na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t st o j u d g e ，t h e na c c o r d i n gt oj u d g et h es i t u a t i o nw h e t h e rt h e r ei san e e dt os e n dc o n t r o l u a b s t r a c t c o m m a n d st ot h em o n i t o t i n gt e r m i n a l i nt h em o t o rp r o t e c t i o na l g o r i t h md e s i g n , m a i n l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m , t h ep h a s ec u r r e n t , p h a s ev o l t a g e 蹴a cs i g n a ls a m p l i n g t h e s a m p l i n gd a t au s e st h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f df o r n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t oo b t a i n ah i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t s d e s i g no fs y s t e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sa c c o r d i n gt oa n a l y s i sa n dd e s i g no fa t w o - t i e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o t o c o lo fs y s t e m c o n t r o lc e n t e rs o f t w a r ed e v e l o p e du s i n g v i s u a lb a s i c 6 。0 c l i e n tu s e sc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h eu s eo fb sm o d e l o n g - r a n g ea c h i e v e st h es y s t e mo fd a t at r a n s m i s s i o n , i no r d e rt oq u e r yr e a l - t i m ed a t a a n dh i s t o r i c a ld a t a , a c h i e v er e s o u r c es h a r i n g f i g u r e 4 8 】t a b l e 【3 】 r e f e r e n c e 【6 2 】 k e y w o r d ：a r m ；w a t e rp u m pm o t o r ；s 3 c 4 4 b o x ；b s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得安徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储张棒吼缉年j 月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵理王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鲐彳干予 锄獬：螂 签字日期勿7 年乡月另日 签字日期：沙尹占月日 1 绪论 1 绪论 井下水泵的主要任务是把通过各种途径流入矿井的积水排送到地面，如果不 能及时地将这些积水通过水泵排送到井上，井下的生产可能受到阻碍，井下的安 全得不到保障，严重者会造成重大事故，为了确保煤矿的安全生产，因此必须对 井下水泵建立稳定的监控系统i 弼】。 目前国内各矿井多采用传统的继电器控制方法，用人工进行检测( 如人工检 测水仓水位、闸阀及配电设备状况等) ，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度 大，而且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭 发展的需要，针对目前存在的问题，本文提出的基于a r m 的煤矿井下水泵电机 网络监控系统，不仅可以提高水泵的运行和使用效率，更重要的是节省能耗，降 低生产成本。主要表现在两个方面：其一根据不同的涌水情况，运行不同的水泵 台数，提高水泵使用率：其二根据用电使用标准，采取“避峰就谷 原则，在用 电高峰期减少水泵运行，而尽量在收费低的“谷段 提高运行次数。所谓“避峰 就谷 是指调度水泵在用电的“谷段 和“平段 时间段工作，尽量避免在“峰 段”启动。要实现“避峰就谷 ，需调度水泵在用电的“谷段 和“平段时间段， 将水仓的水位排至设定的低位，以便水仓能够腾出尽可能大的容积，使其在“峰 段 容纳更多的矿井涌水而不用启动水泵 4 1 1 6 0 1 1 6 1 1 。 本系统故障监测和保护功能主要包括过压、过流、漏电保护，水泵漏水保护， 水泵轴承超温保护，流量、压力保护。水泵的运行状况，自动进行数据采集、自 动记录、故障报警、事故分析、多台水泵软启动的自动切换及控制断电等，所得 到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。因此本监控系统具有以下五个方面功 能： 1 水位实时检测显示 水井水位信号是系统工作的主要控制信号，a r m 要根据水位变化情况来控制 水泵的运行情况。而矿井的涌水量是随机的，所以，正常情况下，检测系统要不 间断监视水位情况，输送水位信号到a r m 进行处理，同时输出至显示报警装置， 便于管理人员及时了解水位情况，危急情况下发出报警信号。 2 水泵平稳起停 根据水泵工作要求，要控制水泵启动和停止过程都要平稳，尤其要达到缓开 缓闭的要求。启动过程中，如果各种运行参数达不到要求，就不能使系统进入运 行状态。 安徽理： 大学硕士学位论文 3 水泵轮班工作制 水泵房多台水泵并联工作，但并不是一起使用，而是有用有备。所以控制系 统还要合理安排水泵的备用情况，避免有的水泵长期闲置。 4 泵站运行状况监控 排水系统要实现自动控制、无人职守，就要对水泵的各个参数进行监控，需 要监控的参数：电动机工作电流、水泵出口压力、闸阀的开度( 全开还是全关) 、 水泵流量总和。 5 故障检测与报警 系统应对自身运行情况有检测并对泵站的整体工作状态进行判断。不仅在各 个单一参数( 压力、流量、电压、电流等) 超出正常范围时，发出报警信号；而 且也要对某些相关参数发生不对称的情况下做出判断并发出报警信号。水泵运行 时，还要能够自动切换，停止故障泵站，启动其他泵站。 1 1 选题背景情况及研究目的 煤矿井下排水系统是保证矿井安全生产的关键设备，水泵电机功率大，连续运 行时间长：再加上煤矿井下条件比较恶劣，电机淋水受潮，电机被煤掩埋使散热道 被堵、强负载下电机频繁启动等原因，电机的烧损时有发生，电机的烧损不仅损 坏了正常排水系统，甚至造成事故危及人的生命和矿井的安全。要使电机可靠运 行是关键，而电机保护设备是电机可靠运行的主要保耐5 1 1 1 5 9 1 。 电机常见的继电器保护有：过载保护、短路或漏电保护、欠压保护、过热保 护。这些保护的具体要求如下： 漏电保护器的功能要求：当网络对地绝缘电阻降低到规定植或人身误操作触 及网络时该电路能使网络迅速断电。 欠压保护器的功能是：当电源电压在额定电压的7 0 - 2 5 时，必须能自动断 开电路，而处于断开状态时，当电源电压等于或大于额定电压8 5 时，必须能可 靠闭合电路。 过载保护和短路保护的功能要求是：在规定时间( 如l 小时) 内，当实际通 过电流为实际电流1 2 0 时能可靠断开电路，当实际通过电流为额定电流的3 倍 以上时，必须能瞬时断开电路。 由于目前对它的监控保护装置功效低下，保护装置经常出现拒动而使电机烧 损，或者由于保护装置的误动从而跳闸，同时水泵电机为大功率高压电机，现场 电信号干扰较大，需要在软、硬件上采用多种防干扰措施。随着计算机技术与自 1 绪论 动控制技术及信号处理技术的不断发展，并在国内相关科研院所以及现代化矿井 做了广泛调研的基础上，本论文提出了基于a r m 的煤矿井下水泵电机网络监控 系统，它不仅能够根据水仓水位变化、供电峰谷时段划分等情况，合理调度水泵 运行，达到躲峰填谷目的。还能实时监测排水系统的机械、电气工作参数，如电 机电压、电流、输入功率、水泵流量、出口压力、轴温和水仓水位等。它采用 $ 3 c 4 4 0 x 作为数据处理芯片，此芯片具有强大的逻辑分析和处理能力，可实现性 能完善且复杂的保护方式，可兼有故障记录与故障分析能力。同时还可以实现地 面对井下高压水泵电机的远程监控。通过公共数据网和i n t e r a c t 在远程实现对系 统运行数据的传输，以便可以查询实时数据和历史数据，实现资源共享【5 4 1 1 5 5 1 。 1 2 国内外研究动态及现状分析【5 7 】【5 8 】 国外对这方面的技术比较成熟，但国内研究不多。我国煤炭储量世界第一， 只要不是露天矿，都需要用水泵把井下积水排到地面，而这些水泵都需要实时监 控，因此研究它具有重要意义【5 3 】。 1 目前煤矿井下水泵监控采用p l c + 变送器实现的p 6 1 ，主要监测的对象包 括： 1 ) 水泵的三相电压和电流以及水泵的开停状态； 2 ) 水泵的远程开停控制； 3 ) 井底水仓的水位和水泵出水口的流量。 2 采用g f 3 0 0 系列大型电机保护加变送器的水泵电机监控，主要监测的对 象包括： 1 ) 水泵的三相电压和电流、三相有功功率和无功功率、功率因数、零序电流 等参量； 2 ) 水泵的开停状态检测和远程控制； 3 ) 水泵的过电流保护、不平衡( 负序过流) 保护、接地( 零序过流) 保护、 启动时间过长保护、堵转保护、欠过电压保护、温度保护及故障诊断。 1 3 课题研究的意义 本论文采用以a r m 为核心的监控终端，它可以对数据进行采集、处理以及 实时显示，把处理的结果通过以太网传送到地面监控中心显示和打印，在监控中 心站的界面上，工作人员能够及时了解井下水泵电机的主要性能参数的在线检测， 并且把数据存储在以日期为名称的表里。同时通过公共数据网和i n t e m e t 在远程 安徽理- t 大学硕士学位论文 实现资源共享。因此它还改变了过去矿井监控只能靠人工单一调控的局面，保证 系统安全运行1 5 2 1 。 目前国内矿井水泵电机多数采用传统的人工进行控制，即人工加继电器进行 控制的方法。采用这种方法控制线路复杂，设备运行的自动化程度低，可靠性差， 工人劳动强度大，应急能力差，存在很大的安全隐患，不适应煤炭工业发展的需 要【5 6 】。而本文所设计的监控系统，弥补了传统继电器控制的种种缺陷与不足，提 高了工作可靠性和稳定性，具有使用寿命长、维护方便并可以实现远距离监控的 特点，同时使得在全矿务局同时进行各泵房运行情况查询和在全矿务局内各泵房 的危险报警都成为可能。因此研究它具有十分重要的意义。 1 4 论文结构 本论文主要针对现代监测系统的要求，首先讨论本课题的背景、目的、意义 及监控系统的基本原理。然后将详细讨论监控终端的硬件设计、系统通讯网络的 设计、电机保护原理及算法和系统监控软件的设计。具体结构如下： 第一章是绪论，综合性地概述了课题的研究背景、目的以及监控系统的国内 外研究动态，并介绍了课题研究意义及论文的组织结构。 第二章是监控系统的整体设计，对系统进行总体描述，分析说明系统设计目 标以及所解决的问题，并对本系统所用到的a r m 芯片以及抗干扰技术进行说明。 第三章是电机保护原理及算法，对系统中采集的交流信号处理过程的原理和 实现进行了详细的阐述。 第四章是监控系统的硬件设计，详细介绍了监控终端硬件电路的设计原理以 及电路的实现。 第五章是系统通讯网络的设计，详细地阐述了两层通讯网络协议的设计过程。 第六章是监控系统的软件设计，其中详细介绍了监控中心软件的实现原理及 其关键技术，s 3 c 4 4 b o x 串口服务器软件设计，监控终端软件实现方法，远程访 问软件中的b s 架构、a s p 技术和网络的实现作了详细的阐述。 第七章是实验过程及目的，详细介绍了监控泵站的硬件和软件调试过程、监 控中心和远程访问软件的测试，并分析测试结果，最后得出测试结论。 第八章是结论与展望，首先对系统功能进行叙述，然后总结全文，紧接着对 下一步的工作进行了阐述。 2 监控系统整体设计 2 1 监控系统总体概述 2 监控系统整体设计 本系统综合了计算机网络和自动化控制等技术，并具有数据采集及处理、数 据查询及报警处理等综合功能。它将压力传感器、温度传感器和流量传感器以及 电流、电压互感器传来的模拟量转化为数字量，并实时计算出它们的准确值，把 处理运算的结果通过以太网传送到地面监控中心显示和打印，服务器通过交换机 与监控中心相连接，工作人员可以通过i n t e m e t i n t r a n e t 技术访问实时数据运行情 况和访问历史数据来查询一段时间内水泵的运行情况【5 引。 基于a r m 的煤矿井下水泵电机网络监控系统由监控终端、监控中心和远程 访问三部分组成如图1 所示，下面分别将这三部分作详细介绍。 i。篙赢鬻婀机tl-kmi 监控中心f 一 服薷。鼎隔矛i用户1 盛鏖璺l 亘蕉塑二 远程访问用户n i r s - 4 8 5 , 总线l 匿墓嫦 安徽理工大学硕士学位论文 控制信息，执行监控中心的各种控制命令。在p c 工控机上对原始数据先存储， 然后输出显示并打印。各个监控终端通过现场总线把数据送到远程监控中心的服 务器上。 2 监控中心 监控中心主要由p c 工控机和打印机组成。监控中心接收监控分站传送的数 据，并对传来的数据进行处理、存储、显示等工作。监控中心通过s 3 c 4 4 b o x 串 口服务器把控制指令传送到监控终端，并控制终端运行。 3 远程访问 远程监控是指利用计算机技术通过网络系统实现对远程工业生产过程监视与 控制。把工业生产过程的监控信息接入i n t e r n e t ，在一定条件下就可以通过i n t e m e t 监视并控制生产系统和现场设备的运行状态和各种参数，控制者就不必亲临现场， 可以监视远程生产运行情况。远程监控程序是指基于i n t e m e t 技术，基于t c p f l p 和h t t p 通讯协议，基于w e b 服务器，在客户端用浏览器( b r o w s e r ) 浏览监 视，通过w e b 服务器与现场实时数据平台进行数据通信，实现远程访问本地数 据。在w e b 页面上可以查询各水泵实时运行情况和历史运行情况【5 0 】。 2 2 监控系统的设计目标 本系统对水泵电机实时运行的电压、电流、输入功率、水泵流量、出口压力、 轴温、水仓水位等参数进行采集并处理，把处理过后的数据传到地面监控中心， 即对数据进行保存并送到p c 工控机显示和打印，在工控机界面上可以看到井下 各水泵实时运行情况和历史数据曲线。如果某项参数超标，还会以各种警报通知 值班人员，并及时采取措施，避免事故的发生。因此本系统的设计目标是： 1 动态监测 动态监测分为就地状态监测显示和远程上位机动态监测两个部分。工作过程 的状态监测和显示为水泵房巡检人员显示现在的就地控制系统中的各个设备工作 情况和报告设备的故障信息。主要有就地文本显示和声光报警器两个部分。 远程上位机动态监测软件采用w o n d o w s 2 0 0 0 图形界面下的v i s u a l b a s i c 6 0 开 发而成，以太网通过s 3 c 4 4 b o x 串口服务器与各个监控终端进行通信。上位机界 面显示各个水泵的工作状态和关键参数的数值，并形成数据库文件将这些信息予 以记录，实现动态监测和过程数据记录的功能。 2 保护功能 系统保护功能的实现是基于对故障特征的判断。本系统主要的保护有流量、 2 监控系统整体设计 压力保护、过流保护和低电压、漏电保护等保护措施。1 ) 流量保护：当水泵启动 后或正常运行中，如果水泵流量达不到正常值，流量保护装置使本台水泵停止工 作，转为启动另一台水泵；2 ) 电动机故障保护：当水泵电机出现欠压、过流短路 等故障时，监控终端发出控制命令并对其进行保护；3 ) 自动闸阀故障保护：自动 闸阀配套液压系统上的流量表和压力表结合出口流量保护装置的信号，由中央处 理器判断自动闸阀的运行状态，检测和控制自动闸阀的状态。 3 系统具有扩充性 系统硬件和软件均采用模块化、结构化、标准化，泵站监控可以任意的添加 和删除，便于系统升级。 4 系统的覆盖范围广泛 便于监控终端的安装，通过以太网与监控中心的主机之间进行相互独立的通 信。 5 数据管理 把每个监控点的数据存入数据库，然后根据这些点的数据生成多种曲线、报 表。还可以利用i n t e m e t 技术访问数据库服务器，实现资源的共享。 2 3 监控系统数据传输方案 远程监控系统采用有线传输方式，其优点是通信速率高、可靠性好，支持多 节点、传输线路成本低和传输距离长等特点。综合比较r s 2 3 2 总线、r s 4 2 2 总 线、r s 一4 8 5 总线、c a n 总线和工业以太网几种有线传输方式及本系统的实际情 况，串口服务器到监控中心采用以太网通讯最佳的，而且还能满足系统的要求， 当然监控终端到串口服务器采用r s 4 8 5 总线通讯，下一章将对它进行叙述。采 用以太网传输方式具有以下优点： 1 低成本、易于组网、技术支持广泛。所以以太网在商业领域已有成熟应用， 具有大量的软硬件资源和开发设计经验。许多网络产品都带有以太网接口，组网 简单方便。 2 开放透明的协议。标准以太网使用t c w i p 作为上层通讯协议，该协议极 其开放灵活，基于该协议的以太网已成为最流行的分组交换局域网。 3 高传输速率保证实时性。以太网已从1 0 m 、1 0 0 m 发展到千兆，现在还有 更高速的1 g 、1 0 g 以太网。高速以太网保留了标准以太网的帧结构和载波侦听多 路访问冲突检测协议，并向下兼容，升级成本低。 4 可以实现资源共享。以太网使用的t c p i p 协议，其开放性使测控网和信 安徽理t 大学硕十学位论文 息网统一起来，实现网络控制系统真正意义上的开放性和互操作性。无论是网线、 连接器、交换机等网络接口，还是软件开发环境，都与市场主流相同，可以方便 地达到资源共享。 5 在轻负载时，网络传输延时小，响应速度快，有较高的信道吞吐量，特别 在轻负载时，信道利用率高，传输时间和节点总数无关。 2 4a r m 的介绍 2 4 1a r m 7 的概述 a r m 嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的3 2 位r i s c 系列芯片【1 4 1 。a r m 7 采用a r m v 4 t 结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据c a c h e ，平均功耗为 0 6 m w ，时钟速度为6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟周期。其中a r m 7 t d m i ( t h u m b ) 是a r m 公司授权用户最多的一项产品，将a r m 7 指令集同t h u m b 扩 展组合在一起，以减少内存消耗和系统成本。a r m 7 t d m i 各字母含义如下：1 ) a r m 7 ：a r m 3 2 位整型核的3 v 兼容版本；2 ) t ：1 6 位压缩指令集t h u m b ；3 ) d ： 在片调试( d e b u g ) 支持，允许处理器响应调试请求暂停；4 ) m - 增强型乘法器， 与以前处理器相比性能更高，产生“位结果；5 ) i ：嵌入式i c e 硬件提供片上断 点和调试点支持。目前a r m 芯片广泛应用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、消 费电子产品、s t b 及智能卡。采用r i s c 架构的a r m 微处理器三大特点归纳如 下：体积小、低功耗、低成本、高性能支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指 令集；指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高【5 8 j 。 1 指令流水线 a r m 7 d m i 使用流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几个操作 同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 d m i 使用3 级流水线。因此， 指令的执行分为3 个阶段；取指令、译码和执行。 2 存储器访问 a r m 7 t d m i 核是冯诺依曼体系结构，使用单一3 2 位数据总线指令和数据。 只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。数据可以是：8 位、1 6 位 和3 2 位。字必须是4 字节边界对准，半字必须是2 字节边界对准。 3 存储器接口 a r m 7 t d m i 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。 速度的关键控制信号是流水作业的，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统功能。 8 2 监控系统整体设计 这些控制信号方便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发访问模式的开发。 a r m 7 t d m i 有4 种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周 期和协处理器寄存器传送周期。 4 嵌入式i c e r t 逻辑 嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了集成的在片调试支持。可以使用 嵌入式i c e 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件。 2 4 2a r m 7 t d m i 指令的寻址方式 a r m 处理器支持的基本寻址方式有以下几种：1 ) 寄存器寻址；2 ) 立即寻址； 3 ) 寄存器间接寻址；4 ) 基址寻址；5 ) 寄存器间接寻址；6 ) 寄存器移位寻址；7 ) 多寄存器寻址；8 ) 堆栈寻址；9 ) 块拷贝寻址；l o ) 相对寻址。 2 4 3a r m 7 t d m i 内核的寄存器结构 a r m 7 t d m i 共有3 7 个寄存器，分为两类：1 ) 3 1 个通用寄存器，其中包括程 序计数器p c ，这些寄存器的位宽均是3 2 位；2 ) 6 个状态寄存器，虽然位宽也是 3 2 位，但实际只使用其中的1 2 比特。另外，这6 个状态寄存器不能同时被访问。 处理器的状态和操作模式决定了哪些寄存器可以被访问。 2 4 4a r m 7 t d m i 内核的异常处理 异常发生时任何程序都必须暂时停止，去处理异常情况。当发生异常时执行 下面几个步骤：1 ) 复制c p s r 的内容到s p s r ，保存被中断执行程序的状态，以 使异常处理程序执行完成时，可以立刻恢复执行程序；2 ) 将c p s r 中的模式比特 m 【4 ：o 】改变为当前的异常模式；3 ) 将p c 的值改变为异常表中相应异常的值，开 始执行异常程序；4 ) 异常处理结束后，将l r 的值减去相应的偏移量，赋值给p c ， 将s p s r 的值复制到c p s r ；5 ) 恢复执行被中断的程序。当多个异常同时发生时， 异常的优先级顺序决定了异常执行的先后顺序。下面由高到低给出了异常发生时 的优先级顺序：复位、数据终止、快速中断、中断、指令终止、未定义指令、软 中断。 2 4 5a r m 7 处理器的选择 从本系统的设计要求和经济性考虑。我们选择了s a m s u n g 公司生产的 s 3 c 4 4 b o x 这种芯片。s 3 c 4 4 b o x 具有通用性强、提供的硬件资源丰富、有较好 安徽理t 大学硕士学位论文 的中断处理功能、便于系统扩展、通信接口种内多、指令系统简单实用等特点。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器是韩国三星公司提供的一款高性价比和高性能的微 控制器，它采用0 2 5 u r nc m o s 工艺制造，特别适合对成本和功耗敏感的应用场合， 它采用新的总线结构s a m b a i i 。s 3 c 4 4 b o x 最突出的特点是它的c p u 核采用 a r m 公司的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 结构。a r m 7 t d m i 系统扩充包括t h u m b 协处理器、片上i c e 中断调试支持和3 2 位硬件乘法器。s 3 c 4 4 b o x 集成片上功能 描述如下： 1 2 5 v 供电的静态a r m 7 t d m ic p u 内核，带8 k bc a c h e 。 2 外部存储控制器( f p e d 0 s d r m 控制，片选逻辑) 。 3 1 个专用d m a 通道的l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ) 。 4 2 个通道d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道。 5 1 个多主机i i c 总线控制器，2 个u a r t 通道。 6 5 个p w m 定时器通道及1 个内部定时器通道。 7 看门狗定时器。 8 7 1 个通用i o ，8 个外部中断资源。 9 1 个i i s 总线控制器通道，8 个l o 位a d c 通道。 1 0 具有日历功能的实时时钟( r t c ) ，片上p l l 时钟发生器。 2 5 系统的抗干扰技术 系统的干扰主要来自周围复杂的电磁环境对监控终端的影响。我们从硬件和 软件两方面来增加其抗干扰的能力。 硬件抗干扰技术主要有以下几种： 1 光电隔离。在输入输出通道上通过光耦合器件传输信息可将a r m 系统与 各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，阻挡很大一部分干扰。 2 硬件滤波。r c 低通滤波器可以大大削弱各类高频干扰信号( 如各类“毛刺 干扰) 。 3 良好的接地。有两种接地：一种是为了人身或设备安全的目的，把设备的外 壳接地，这种接地叫外壳接地或安全接地；另一种是为电路工作提供一个公共的 电位参考点，这种接地称为工作接地。两种接地系统都要设计合理，同时，系统 的数字地与模拟地要分开。 4 屏蔽。高频电源、交流电源、强电设备和电弧产生的电火花都能产生电磁 波，从而成为电磁干扰的噪声源。用金属外壳将器件包围起来，再将金属外壳接 1 0 2 监控系统整体设计 地，它对屏蔽各种通过电磁感应引起的干扰非常有效。 软件抗干扰设计在a r m 系统中，充分挖掘软件的抗干扰能力可以将干扰的 影响抑制到最小。软件抗干扰设计主要是消除模拟输入信号的噪声，程序运行混 乱时使程序重新正常运行。下面给出几种有效的软件抗干扰方法。 1 数字滤波。数字滤波技术可以有效地消除模拟输入信号的噪声。数字滤波 技术有：中值滤波、算术平均值滤波和加权平均值滤波等。 2 程序运行监视系统( w a t c h d o g ) 。若失控的程序进入“死循环 ，通常采 用“看门狗 技术使程序脱离“死循环 。通过不断检测程序循环运行时间，若发 现它超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环 ，对其进行出错处理。 安徽理工大学硕士学位论文 3 1 电动机保护原理 3 电动机保护原理及算法 对于高压大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的直接或间接经济损失很 惨重。因而对高压大功率电动机保护尤其重要，本章主要对电动机的故障特征及 电动机常见的故障和不正常运行方式进行分析并给出保护装置具体实现的方法。 1 异步电动机故障特性：要使电动机可靠、安全地运行，必须研究异步电动 机有可能发生的各类故障，以及这些故障给电动机带来的影响。故障形式主要分 为绕组损坏和轴承损坏两方面。由于电动机的微机智能保护主要通过测量电量( 电 流、电压以及开关状态等) 来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故 障。 假设电源中性点接地，根据对称分量法，可将三相不对称电流分解为正、负、 零序分量各为：、j ：、，：( 以a 相为例) 。它们之间满足下列关系： i = i 二+ i 二+ i 二 i8 = a 】i 二+ q i l + i 二 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) = a i j + a 2 ( + c( 3 3 ) 或者： 1- e = ( i a + a i - n + a 2i c)(3-4) 1 ，二= ( ，一+ 口2i b + a i c ) ( 3 - 5 ) 竞= 三( + 丘+ c ) ( 3 - 6 ) 其中万一圭+ ，警，口2 纠埘一三一，譬2 。 22 。 2 1 ) 当电机正常稳态运行时，定子绕组通以对称的三相电流向量f 、t 及c 1 2 3 电动机保护原理及算法 进行分析，可知：c = i ，c = 0 = 0 ，三相绕组中没有负序和零序分量。 电机堵转和对称过负荷时，用对称分量法分析各相序电流关系，其结果与正 常运行类似，都不出现负序和零序电流分量。 2 ) 当电动机发生不对称故障时，则会出现零序电流。根据电机运行原理可得 正序、负序阻抗如下图2 所示。 吃 2 一s ( a ) i f _ 序阻抗( b ) 负序阻抗 图2 电机的等效电路 f i 9 2m o t o re q u i v a l e n tc i r c u i t 西+ 胁) ( 翌+ 反) 乙_ ，l + 西+ i 赢 。7 ( h + ) + ( = + 夕呸) m + 胁) ( 是+ 反) 乙- ，l + 肿磊荔 。8 ( ，研+ 多) + ( = 二二+ 少) 由于实际系统中，电机作为负荷运行，其中性点一般不接地，故不需要建立 零序等值电路，当电机内部发生b 、c 两相短路，其不对称边界条件为： l = 0 ，1 8 + i c = 0 即i s = 一乇 ( 3 - 9 ) u b c = 0u b = u c 1 3 ， ( 3 - 1 0 ) 安徽理工人学硕士学位论文 z 2 j 图3 复合序网图 f i 驴c o m p o s i t es e q u e n c ec h a r t 其中z k z 2 ，分别为保护安装点至中性点处的正序、负序综合阻抗，z ：，乏分 别为故障点到保护安装处的正序、负序阻抗。 根据复合序网图图3 所示，可求出短路电流序分量及电机各序电流： 山 i a l - - _ i a 22 雨百聂( 3 - 1 1 ) z l 十厶，十z 1 十二， 式中为保护安装处等效电势。流经电机的序电流分别为： l l = l l ，1 2 = i a 2( 3 - 1 2 ) 3 ) 单相接地。由于电机绕组的绝缘下降、电机受潮和转子刮壳等原因，使电 机容易发生接地短路，当电机发生a 相端子经电阻，单相接地，其等值电路如图 4 所示。 一 豇 图4 单相接地等效分析电路图 f i 9 4s i n g l e - p h a s eg r o u n de q u i v a l e n ta n a l y s i sc i r c u i td i a g r a m 1 4 3 电动机保护原理及算法 可以求得各相电流为： = 石e a + 争 ( 3 1 3 ) c = 罢 ( 3 1 4 ) 丘= 笔 ( 3 - 1 5 ) 应用对称分量法各序分量为： 1 1 o 厶= ( l + 口厶+ 口2x c ) = l + ( 3 1 6 ) 1o 1 2 = 寺( l + 口2i b + a i c ) = ( 3 - 1 7 ) 五：昙( + i 。b + c ) ：三 ( 3 - 1 8 ) ，o = ( ，+ k ) = ， ( 3 1 8 ) 根据以上的分析，发生单相接地短路时会出现负序电流，其值大小主要决定 于故障状态，值越大，越小。若电机发生a 相断相时，厶将不为零。 2 过流、负序和零序电流的故障判据 电机常见的故障可以分为对称性故障和不对称性故障。对称性故障主要有三 相短路、堵转和对称过载等故障。这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大 所引起的热效应。 不对称性故障又可进一步分为非接地性不对称故障和接地性不对称故障两 类。非接地性不对称故障，主要包括断相、相间短路，匝间短路及不平衡运行等。 这类故障会引起三相电流不对称。由于我国电动机的中心点不接地，因此定子电 流中可分解为正序和负序分量( 零序分量为零) 。由于电动机正常运行时负序电流 分量基本没有，所以采用负序电流分量作为该类故障的判据。此类故障对电动机 的损害主要是负序电流引起的负序效应，可造成电动机端部发热，转子振动及起 动力矩降低等一系列问题。若伴有过流发生，还会使绕组发热。 接地性不对称故障，包括单相接地短路和两相接地短路。发生接地性不对称 故障时，会出现零序电流分量，这是区别其它任何非接地性故障的最根本特征， 可作为接地性故障的主要判据。 不对称运行的另一个