（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的煤矿水源井监控系统.pdf

a b s t r a c t t h i ss u b j e c ta c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t eo ft h ew a t e t rw e l lo fm i n ea n dt h e p r a c t i c a lp r o b l e m so fi m p r o v i n gt h e i ro w nd e v e l o p m e n t ，d e v e l o po fa r m b a s e dc o a l m i n ew a t e rw e l lm o n i t o r i n gs y s t e m t h em a i nt h e s i so ft h i sa r t i c l ei st h et e r m i n a lm 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 n , s o f t w a r ea l g o r i t h md e s i g na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep r o t e c t i o no fe l e c t r i c a l p r i n c i p l e so ft h em o t o ra n dt h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n e db yp cs o f t w a r e a c c o r d i n gt o t h e a l g o r i t h mo ft e r m i n a ld e s i g n , a c c o r d i n g t ot h e s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e q u i r e da n a l y s i so ft h es y s t e mi ta d o p t e dd cs a m p l i n gm e t h o r d t ow a t e r l e v e l ，f l o w , p r e s s u r ea n da cs i g r 试s a m p l i n gm e t h o r d t oo ft h ep h a s ec u r r e n t , p h a s ev o l t a g e a f t e rt h es a m p l i n gd a t aa n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , i tc a ng e ta l l i g h p r e c i s i o np a r a m e t e r so fw a t e r w e l l sa n ds y s t e m sc o n t r o lm e t h o r d t h eh i g hr e c e i v e rs e n s i t i v i t i l y , f r e q u e n c ys t a b i l i t i l y , h i 曲e f f i c i e n c i l yt r a n s m i s s i o n o fw i r e l e s sd a t ar a d i oa n dr s 一2 3 2s e r i a lp o r tc o m p o s eo ft h ep a r to ft h e c o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sn e t w o r k ，w h i c hi m p l e m e n t i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nu pa n dd o w n m o n i t o rt e r m i n a lh a r d w a r ed e s i g n e do fa r mc h i p su s e dm a i n l ya sac o r e m o n i t o ro ft h et e r m i n a ls u b s t a t i o n ，w h i c hc a nd e t e c tw a t e rl e v e li nw a t e rw e l l s ，w a t e r p r e s s u r e ，f l o wa n do t h e rp a r a m e t e r si nr e a l - t i m e i tc a nd i s p l a yo ft h ew e l lw a t e ri n r e a l - t i m ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r sa n ds e et h eh i s t o r i c a l c h a n g e si nw a t e rl e v e l a tt h es a m et i m e ，a r mp r o c e s s o ra c q u i s et h ed a t at h r o u g ht h e t r a n s f o r m e r ，a n dc a l c u l a t et h ec u r r e n to ft h r e e p h a s ep u m pm o t o r , a c c o r d a n c et ot h e e l e c t r i c a lc u r r e n t , v o l t a g e ，s i z e ，v o l t a g eo ft h ea c t u a lv a l u eo ft h ep h a s es e q u e n c ei n r e a l t i m ei tc a np r o t e c t e dt h ep u m pm o t o r a n dc o n t r o lc e n t e rc a ni na c c o r d a n c e 、析m a l lo r d e rt oc a r r yo u ta n dt r a n s f e rt h ec o r r e s p o n d i n gd a t a t h es o f t w a r eo ft h em o n i t o rt e r m i n a li sc o n s i d e r i n gt os a m p l ea c c u r a c i l y , d a t a p r o c e s s i n gs y s t e m si nr e a l - t i m ea n dt h er e p l a n to f u c l i n u xi n t ot h ea r m ，a sw e l la st h e f e a s i b i l i t yc o m m u n i c a t i o n sa n de f f e c t i v e n e s s d i s p l a yo f t h es y s t e m s s y s t e mm o n i t o r i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n gu s i n gv c 6 0a c q u i s i t s ei nr e a l - t i m ed a t a a n d p r o c e s s i n gc o n t r o l ，i tc a na l s od i s p l a yt h ed a t a , r e p o r t s ，p r i n t i n ga n da l a r m i n g f i g u r e 61 】t a b l e 8 】r e f e r e n c e 4 9 】 k e yw o r d ：a r m u c l i n u x ；c o a lm i n ew a t e rw e l l ；v c + + ；m o n i t o r i n gs y s t e m c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t m 2 7 3 n 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 为获得室徽理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。 学位论文作者签名： 松童k 日期：丝q 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邀理王态堂有保留、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 属于室邀理王太堂。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) 学位论文作者签名：核轧签字日期：功o 1 年乡月e l 导师签名：莠签字日期：砷年6 月ze l l 绪论 l 绪论 1 1 背景情况及课题研究的目的 水是生命的摇篮，也是人类一切经济活动的命脉。在煤矿的生产中，水时时 刻刻都在发挥着作用。抽风机，鼓风机，以及其它电机的冷却水，矿区居民生活 用水，井下的喷雾喷水等。而我国是产煤大国，煤炭产量占世界总产量的3 6 5 ， 煤炭也是我国的主要能源，占我国一次性能源消费组成中的7 0 1 6 l ，为了满足水 源井在煤矿生产中和人们的生活中作用，合理有效的利用水资源是十分必要和重 要的。 通常情况下，一个矿区有若干个水源井供水，这些水源井分布在矿区的不同 的地点，所有的水源井由一个地下蓄水池统一调度。 水源的统一调度与监控是生产和生活正常进行的重要保证。由于蓄水池、水 源井都在地面以下，无论是蓄水池水位还是水源井中的水位，观测起来都多有不 便，无法分析出具体该从哪个水源井调度水资源。更重要的是，水源井的水泵若 出现故障，将直接影响矿区的生产和生活用水。若各个水源井以及蓄水池都配备 专职值守的人员，则浪费了人力和资金。 考虑到水源井的重要作用和我国矿山自动化技术的现状和水源井存在的问 题。我们在对国内相关科研院所和现代化矿井做了广泛调研的基础上，提出了本 系统的设计方案：基于a r m 的煤矿水源井监控系统。 本系统上位机用v c + + 软件，逼真的再现水源井中水位高低和电动机的实时 运行状态，并实时显示采集到的各种数据参数。下位机用先进的a r m 处理器对水 源井的水位、流量、水压实时检测。同时，将对深水水泵的开、停、电压、电流、 功率因数进行检测，根据检测到的信号对水泵电机实施有效的保护，并做到远距 离的分合闸。采用此监控系统，可以实时的控制、检测各个水源井的水位、水压、 流量、及水泵的运行状态和故障原因。实现了对水资源很好的集中调度。水资源 的调度采用就近优先和水资源裕量优先相结合的原则。由于水源井比较分散，加 上矿区的地貌比较复杂，若用有线传输，电缆线路敷设较难，安全性较差，建设 周期长，因此上位机与下位机采用无线通信技术，实现远距离的数据传送及监控。 监控中心和分站之间通过无线电台传输数据。这种无线组网的方式对于监控中心 和水源井距离远的地方来说较为便利。并且可以通过公共数据网和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 安徽理工人学硕士学位论文 享。 1 2 国内外研究的动态和水平 我国研制矿井计算机监控系统起步较晚，为了加快实现煤矿工业现代化管理 的步伐，2 0 世纪8 0 年代初期，我国先后从国外引进了数十套监控系统，这些系 统在我国的煤炭行业中发挥了一定作用，也为我国研制矿用监控系统提供了较好 的借鉴。它们虽均为综合型监测系统，但侧重于安全参数的监测和控制，而对水 源井的监控系统相对较少，同时引进这些系统，普遍存在着性价比过低，系统软 件特别在文档处理方面，不太符合中国国情等问题。 在吸收以上先进技术的基础上，我国相继出现了自己的水源井及水厂的监控 系统。 1 采用p l c + 变送器实现的水源监控系统，主要监测的对象包括： 1 ) 水泵的三相电压、三相电流，以及水泵的开停状态。 2 ) 水泵的远程开停控制。 3 ) 水源井的液位、出水管压力和流量。 2 采用g f 一3 0 0 系列微型电动机保护+ 变送器的水源井监控，主要监测的对 象包括： 1 ) 水泵的三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、功率因数、 积分电度、零序电流、互序电流等电参量。 2 ) 水泵的开停状态检测。 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、反时限过负荷( 热过载) 保护、欠电压保护、过 电压保护、温度保护、电动机热模型保护、故障诊断。 4 ) 水泵的远程开停控制。 5 ) 水源井的液位、出水管压力和流量。 6 ) 可以在变频环境下使用。 3 国内有一些专门为自来水公司设计的水源井监控系统。采用g p r s 信息传 输与s c a d a 系统。这些系统并不是专门针对煤矿水源井的监控系统。若完全移 植到煤矿上使用。必将存在着或多或少的问题，这些问题包括以下方面： 1 ) 部分监控系统监测信息网络化程度不高，有关科室人员不能在办公室实时浏 览其监控信息。而且不能远距离、及时地把监控数据传给上级管理部门，给领导 的正确决策带来诸多不便。 2 l 绪论 2 ) f l a 于传感器数量少、设置地点不尽合理、设置时间滞后以及监测信息不够全 面等问题，目前还不能够完全依靠监测系统的信息进行安全生产管理工作，还大 量地采用手工传递和处理信息。 3 ) 采用有线通信方式，井区地貌复杂，一旦发生线路断裂或其他相关事故，则 可能导致监控数据的丢失。 4 ) 部分大型的自来水公司的监控系统不能完好的复合矿井的监控需要且造价 高，维修不便。 1 3 课题研究的意义 近几年，煤矿缺水现象日益严重，究其一部分原因是没有对水源进行合理的 分配与有效的利用。各个水源井所在的地理位置存在着差异，水源井水位恢复在 时间和季节上也存在着重大差异。同时水源井主泵的电机深入井下，且要频繁的 起停，很多煤矿水源井电机和管道由于其内在的原因( 如产品质量低劣，年久失修 等) ，再加上煤矿整合，把一些年产量低的老矿区合并成一个大的煤矿，有的一个 煤矿矿区都有多个水源井，以至于很难把各个水井的水位情况和变化情况准确及 时地传送到调度中心。 本论文提出的以a r m 为监控终端，用无线电台传送的监控系统方案，具有 准确，及时等特点，该方案采用以a r m 为核心的监控分站，采集，处理和实时 显示数据，把处理的结果通过无线发射模块传送到中心站，在中心站的界面上用 户能够及时了解电机主要性能参数，并可在线检测，对电机实施有效的保护，同 时移植的u c l i n u x 系统具有多任务共同处理的功能，系统指令集合以动态的方式 加载到处理速度快的存储器上运行，增加了程序执行的效率。上位机监控软件能 实时显示各种数据参数，并把数据的存储以日期为名称的表里。同时通过公共数 据网和i n t e r n e t 实现对系统运行数据的传输和资源的共享。它改变了过去矿井监 控只能靠人工单一调控的局面，保证系统安全。无论是新建部分水源井，还是对 原有水源井监控系统的改造，本项目在系统设计、设备配置、软件设计等方面都 能满足生产需要。项目的研究成果在矿井水源井监控中有着广泛的推广应用前景。 1 4 论文结构 本论文主要是针对现代监测系统的要求，将首先讨论本设计的背景和基于 a r m 的煤矿水源井监控系统的基本结构。然后将详细讨论电机保护原理和算法设 计，无线网络以及r s 2 3 2 技术，监控终端( r t u ) 的硬件设计、操作系统的移植 和软件设计、最后介绍监控系统上位机软件的设计。具体结构如下： 3 安徽理t 大学硕1 ：学位论文 第一章绪论部分，综合性地概述了课题的研究背景，目的以及监控系统的国 内外研究动态与水平，介绍了课题研究的意义及论文的组织结构。 第二章系统总体设计部分，进行了系统总体描述，分析说明系统设计目标以 及所解决的问题，并对重点技术的实现原理进行了分析。 第三章电机保护原理与算法部分详细介绍了电机保护的原理和算法设计，对 起动、过载、断相等现象的保护方法作出详细的介绍。 第四章无线网络以及r s 。2 3 2 技术部分，详细地阐述了无线通讯的基本原理， 无线电台的选择和使用，r s 2 3 2 技术的基本原理和本系统的通讯协议。 第五章监控终端( r t u ) 的硬件设计部分，详细介绍了监控终端的电路的设计 原理和思路以及电路的实现。 第六章操作系统的移植和软件设计部分，对u c l i n u x 操作系统移植和软件结 构框架做详细的阐述。 第七章监控中心系统软件的设计，其中详细介绍了监控中心软件的实现原理 和其中的关键技术；对远程访问做整体的介绍。 第八章进行系统测试并分析测试结果，总结全文，对下一步的工作进行了阐 述。 4 2 系统整体* 概述 2 系统整体设计概述 2 1 系统的总体设计 系统是综合了计算机应用技术、自动控制技术、无线电通讯技术等技术，具 有数据采集、数据查询、安全监控、继电保护及报警处理等综合功能。系统主要 将水位传感器、流量传感器虬及电流互感器，电压互感器传来的模拟量转化为数 字量，并计算出水源井水位、出水口流量、水泵电机三相电流、电压的准确值同 时根据三相电流的大小及相序电流对水泵电机进行保护。通过无线电台把数据传 到监控中心，监控中心软件把数据进行处理，放在服务器上，计算机用户可以通 过i n t e m e t i n t r a n e t 技术访问实旌数据监控运行情况和访问历史数据来查询在一段 时间水位的变化情况。 基于a r m 的煤矿水源井监控系统由监控终端、系统监中心件和远程访问等 部分组成，如图1 所示： ，一、，一 商“前4屿a “l 矗i ll l i il ll 图1 系统的总体结构 f i g ls y s t e ma r c h i t e c t u r e 1 监控终端 监控终端由监控分站，无线电台和传感器组成。传感器主要是水位传感器 安徽理工大学硕上学位论文 流量传感器，水压压力传感器，电流互感器和电压互感器等。a r m 处理器对检测 到的信号实施有效的采样。利用采集到的电流信号，根据三相电的对称分量法和 对称分量法对电机保护原理，可有效的检测出单相接地、断相等引起的相间不平 衡电流过大等故障；用实时检测的数据可有效的检测起动电流过大，电机的过载 运行等各种故障状态。通信系统将分站处理后的数据传送到监控中心的工控机上。 分站接收监控中心的控制信息，执行监控中心的各种控制命令。 2 系统监控中心 监控中心主要由工控机和无线传送模块组成。监控中心接收监控终端传送的 数据，进行显示、存储、分析处理等工作。实时显示水源井的状态画面和电机的 运行状态画面。也可以反向传送各种指令到现场监控设备，控制终端的运行并可 查看某一历史时期的水位曲线。 3 远程访问主要是利用现代计算机网络技术，客户端使用b s 模式与数据库 服务器进行实时数据的交互，实现数据资源的共享，在w e b 页面可以查看各个 监控分站的运行情况和历史运行情况。 2 2 系统设计目标 本系统可对煤矿水源井的水位、水管的水量、压力、水泵电机的电压、电流 等安全参数进行自动化采集并传至远程监控中心，可以对数据进行保存。可对电 动实施有效的微机保护，设置自动跳闸的动作电流。如果某项安全参数超标，还 会以各种警报通知值班人员，对超标者及时采取措施，避免突然停水事件的发生。 并且可以远程实时监控水泵电机的实时运行情况，查看水位的历史数据曲线。 本系统的各个监控点比较分散，充分利用无线电台的传输远，稳定性强等特 性和互联网技术实现各个监控点与监控中心计算机的数据传输。本系统的设计目 标： 1 远程实时监控 在远程监控中心可以任意对各个现场实现实时监控，完成对监控终端现场的 数据接收和实时显示，并向监控中心传输数据，实现整个系统的数据存储、数据 库管理等功能。如果有异常情况，将实现报警等功能。 2 电机实时保护 通过分析三相电流的对称分量法，可有效判别电机运行状态、故障状态。并 对电机实施有效的保护。 3 系统具有扩充性 6 2 系统整体设计概述 系统硬件和软件均采用模块化、结构化、标准化，监控终端可以任意的添加 和删除，便于系统升级。 4 系统的覆盖范围广泛 监控终端安装方便，只要位于无线电台覆盖范围下的任何位置，就可以与数 据监控中心的监控主机之间的通信相互独立。 5 数据管理 对每个监控点的数据存入数据库，可以生成多种曲线、报表，长期存储监测 统计数据。并且可以利用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 通讯方案的确定 远程监控系统的介质分为无线和有线两种传输方式。 1 有线方式 1 ) 现场总线：通信速率高、可靠性好，支持多节点、传输线成本低。但是传输 距离有限。 2 ) 电力线载波：利用现有的供电线路，不需要另铺专用的通信线路。但电力线 固有干扰较大，通信跟踪较短。 3 ) 公用电话网：目前中国电信运营商的电话网络采用的是电路交换t ? j ，对于上 网电话资费( 不包括应支付给网络运营商费用) 一般采用按在线时间长短计费的方 式。如果m o d e m 长时间在线，系统运行费用相当可观。因此，一些远程监控系 统往往采用定时拨号上网或者仅在必要时( 如产生报警条件等异常情况时) 拨号的 方式，以降低运营成本；然而，采用这种方式必然造成远程监控系统的实时性和可 靠性降低，而且不能处理突发性的双向通讯，不能适应很多应用领域的要求。 2 无线方式 1 ) 手机短信是一种很普遍的方法，可以借助于现有的通讯网络，但是其通讯 受到通讯环境，以及通讯线路和天气的问题，使得数据的发送不一定准确和及时， 并且通讯费用非常昂贵。 2 ) g p r s 技术是新兴的2 5 g 无线通讯技术，技术本身有着无法比拟的优点， 但是其稳定性有待商讨，出现网络阻塞( 这种现象经常出现周末) 时有发生，并 且其费用也很客观。 3 ) 无线电台是一种人们经常采用的数据传输的方式，由于它的传输距离较远， 无需敷设专用通讯电缆，组网迅速灵活，建设周期短，站点的增加和删除方便， 一次投入，终身免费，并且传送数据稳定、及时、准确等特点。 7 安徽理工大学硕士学位论文 综合以上通讯方式和本系统的实际情况，采用无线电台作为传输方式是很非 常合适的，并且能满足系统的要求。 2 4 系统的抗干扰技术 系统的干扰主要是有两个方面：一个是周围复杂的电磁环境对无线电台的影 响；另一个是周围复杂的电磁环境对监控终端的影响。 对于对第一个方面的影响的克服，主要是采用专用的传输天线，增加外部干 扰信号对无线电台的影响，使得传输的数据准确及时。 对于另一个方面的影响主要是从硬件和软件方面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。在输人输出通道上通过光藕合器件传输信息可将a r m 处理系 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 双绞线传输和终端阻抗匹配。长线传输数字信号时利用双绞线，对噪声干 扰有较好的抑制效果。可与光电藕合器或者平衡输人接收器和输出驱动器联合使 用。在发送和接收信号端必须有末端电阻，双绞线应该阻抗匹配。 3 硬件滤波。r c 低通滤波器可以大大消弱各类高频干扰信号( 如各类“毛刺 干扰) 。 4 良好的接地。有两种接地：一种是为人身或设备安全目的，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。 5 屏蔽。高频电源、交流电源、强电设备、电弧产生的电火花，甚至雷电， 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 将金属外壳接地，其对屏蔽各种由于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人信号的噪声，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人信号的噪声。数字滤 波技术有：中值滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波等。 2 软件陷阱。在一般测控系统中存在着大量未用的空间，若在这些未用的 程序区设置一段引导程序，当程序受到干扰跳到该区域时，引导程序将强行捕获 的程序引向一个指定的地址，在那里以一段专门程序对出错进行处理。 8 2 系统整体设计概述 3 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“看门狗一技术使程序脱离“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，则对其进行出错处理。 2 5a r m 介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，1 9 9 1 年 成立于剑桥。设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器及相关技术及软 件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、 i n t e m e t 设备、消费教育类多媒体、移动电话等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂 商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中 包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这样的大公司。 至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。a r m 提供一系 列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的 软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行( 理论上如此) 。典型的a r m 产 品包括以下几个部分： 1 c p u 内核 a r m 7 ：小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。 a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是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，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用 途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 删9 t d m i ：采用5 阶段管道化a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调试和 h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达a r m 7 t d m i 的两倍之多。常 用于连网和顶置盒。 2 体系扩展 t h u m b ：以1 6 位系统的成本，提供3 2 位r i s c 性能，特别注意的是它所需的 内存容量非常小。 3 嵌入式i c e 调试 9 安徽理工人学硕二l 学位论文 由于集成了类似于i c e 的c p u 内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调 试得到了极大的简化。 4 微处理器 a r m 7 1 0 系列：包括a r m 7 1 0 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 4 0 t 低价、 低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存( c a c h e ) 、内存管理、写缓 冲和j t a g 。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。 a r m 9 4 0 t 、9 2 0 t 系n - 低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有c a c h e 、 内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高 档打印机。 s t r o n g a r m ：性能很高、同时满足常规应用需要的种微处理器技术，与d e c 联合研制，后来授权给i n t c l 。s a l l 0 处理器、s a l l 0 0p d a 系统芯片和s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。 a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ：高度集成的单芯片r i s c 计算机，基于一个缓存式 a r m 73 2 位内核，拥有内存和i o 控制器、3 个d m a 通道、片上视频控制器和 调色板以及立体声端口；a r m 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单元以及对e d o d r a m 的支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机( n c ) 。 1 0 3 电动机保护原理与算法设计 3 电动机保护原理与算法 3 1电动机保护原理 3 1 1用对称分量法分析电机的各种状态 根据称分量法，可将三相电机电流i a 、i b 、i c 分解为正序电流1 1 ，负序电流 1 2 ，零序电流i o 。他们之间有以下关系如式( 3 1 ) 所示： 或者 i a = i o + i l + h i b = i o + 0 【zi i + 0 【1 2 i c = i o + 0 【1 1 + 0 【2 1 2 i - = 弘+ 仅i 2i c 】 k 弘村i 巾i c 】 i o = 弘+ b + c 】 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 舯仪妒：一如孚_ 一埘：，譬 b 3 ， 当三相完全对称，电机正常稳态运行时：i i = i a ，i o = 1 2 = 0 ，三相绕组中 没有负序和零序分量。 当电动机发生断相等不对称故障时，定子电流可分解出负序电流分量。设a 相发生故障而断相，各相电流为：i a = 0 ，i b + i c = 0 。 安徽理工大学硕二i 二学位论文 i l ：扣a 2 ) i b ：j 等；b i 2 = 妒斗：_ j 争 1 0 = 0 ( 3 4 ) 可见，断相时出现正序和负序电流，不出现零序电流；正序电流和负序电流 副值相等、方向相反。负序电流会造成电动机起动力矩降低，转子振动、端部过 热等一系列问题。进一步分析分析负序电流量值。设断相后电动机功率不变，未 断相时电动机电流记为i ( 们。 未断相功率：p ( 0 ) ：j u i ( o ) c o s c p ( 3 5 ) tt 断相后功率：p = 2 x 姜- i c o s c p ( 3 6 ) 二 由于p ( o ) = p ，所以i = ；i ( o ) ，由式( 3 4 ) 可得，得断相后的负序电流： = 1 2 ：竺i ：i ( 0 ) 。 3 电动机正常运行时，负序电流基本为零，断相后出现的负序电流数值的大小 相当于断相前电动机运行的电流数值。因此，利用负序电流的跃变作为段相故障 的判据，具有很高的灵敏度和可靠性。电动机的其他不对称故障，如不平衡运行、 两相短路都会出现负序电流，因此检测负序电流实现的保护对这类故障同样有效。 过载、三相短路及堵转属于对称故障，三相电流基本对称，不出现负序电流。这 类故障的最大特征是三相同时过电流，因此可利用过电流的程度反映这类故障。 3 1 2 基于过流、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。因此，对称性故障可以通过过流程度 来反映，这正是常规的过流保护的基本立足点。 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 1 2 3 电动机保护原理与算法设计 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负面效应会引起电动机效率降低。因此必须对电动机的 不对称运行进行保护。从以上故障分析中可以看出电动机故障的突发性与多发性， 而要对电动机的这些可能发生的故障实施全面的、完善的保护也是困难的。 根据对称分量法分析，在发生不对称故障时，电动机电流可以分解成正序、 负序和零序分量。在电动机正常运行时，三相基本对称，负序和零序电流基本为 零，而一旦发生不对称性故障，这些基本项将会发生变化，据此作为鉴别不对称 故障的判据，将有很高的灵敏度和可靠性。电动机发生对称故障时的主要特征是 电流幅值增大，而发生不对称性故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。 根据这一分析结论，本文在设计保护保护器时将电动机的综合保护分解为三个部 分，即过电流保护、负序电流保护和零序电流保护。电机常见故障的分析结果如 表l 所示： 表1 电机故障特性分析表 t a b lt y p el i s to f m o t o rf a i l u r e 故障类型 零序负序过电流其它故障特征保护特性 对过载无无( 1 2 5 ) bi a k i c反时限 旆i 故 堵转无无 ( 5 7 ) b i a h i c 短时限 障 短路无无 ( 8 1 0 ) b i a h i c短时限 断相无 ! f k 血 i a = 0i s = i c 速断 3 - 不 逆相无i 。无i a b i c短时限 不 接 不平衡无有无i a i b i c速断 对 地 称 相问短路无有取决于位置i s = i c i a速断 故 障接 单相接地 ! f i有 取决于位置i i s = i c速断 3 z 。 地 ! r i有 取决于位置 b = i c 弘b 速断两相接地 3 “ 根据以上分析，电机发生对称故障时的主要特征是电流幅值增大，而发生不 1 3 安徽理工大学硕上学位论文 对称性故障时的主要特征是出现负序和零序电流分量。根据这一结论，本文在设 计电机监控系统时将电机的保护分解为三个部分，即过电流保护、负序电流保护 和零序电流保护，如表2 所示： 表2 电机故障保护的分类 t a b 2t h ec l a s s i f i c a t i o no fe l e c t r i c a lf a u l tp r o t e c t i o n 保护类型针对故障保护特性 过载、堵转过流反时限 过流保护 严重短路速断 断相、不平衡负序反时限 负序保护 局部短路定时限 零序保护接地性短路定时限 综上所述，检测到的电机三相电流可分解为负序和零序电流分量，并计算出 电流幅值，根据表中各类故障与负序、零序电流及过流程度之间的对应关系判别 故障特征及严重程度，进行电机故障诊断；故障诊断结果向运行检修人员发出警 告和提示：根据不同故障类型及严重程度进行适当延时，启动跳闸机构断开电机， 实现了智能化电动机综合保护。 3 2 过载时间常数算法 3 2 1 启动过程 电动机起动的瞬间，起动电流非常大，高达电机额定电流7 8 倍。但随着电 机转速的增大，电流逐步减小，在额定负载下，电机电流稳定在额定电流上，这 一过程称为电动机的起动过程。在上述起动过程中可以看出，在电机起动的瞬间， 电机实际上处于堵转运行状态，而此后的过程中电机一直处于过电流运行状态， 但这一过程是必须经过的，是正常现象。如采用常规方法进行堵转、过流的检测， 则必然会产生误判断，造成电机无法正常起动。为了提高保护的实用性，采用“起 动特性曲线上移法”来解决这个问题。 1 4 3电动机保护原理与算法设计 一 l 鬲苜畜一f i “ f i 9 2s t a r t - u pg r a p ho fe l e c t r o m o t o r 每个电机都有一个正常最大起动电流，电机起动电流是一条随时问变化的曲 线，如图中的实线部分。如果将电机起动曲线适当上移，如图中的虚线部分。图 中i q 为起动电流，i e 为额定电流。上移的目的是增强抗干扰能力，因为电机在起 动时会出现正常的波动。保护装置中的高速a d 转换器不断地检测电机三相电流， 通过运算和比较，按上移后的曲线实时跟踪起动过程。正常起动时电机起动电流 在图中实线曲线附件运行，一旦起动电流在某一段时间内连续超出上移曲线所规 定的电流，可以认为出现了不正常起动( 如堵转、异常性过电流等) 。这样既能进 行正常的起动，又能随时检测故障，大大提高了对电机的保护能力。这是微机保 护装置得天独厚的优势，是传统老式保护器无法比拟的。 3 2 2 过载保护 在众多的电机保护中，过载保护是最有效和最基本的是前保护。研究电动机 的智能保护问题，最困难的就在于如何处理电动机运行过程中的热积累问题。电 动机过载是由外部( 负载) 施加于电动机的一种运行状态。电动机的热惯性使使它 具有一种可以利用的短暂过载能力，因此短时过载仍属正常运行，只有热量积累 到使电动机绕组的实际温升达到会显著降低绝缘寿命的程度时，才要求保护器给 予保护。由于过载保护动作时间的选择因是否为首次过载而不同，因此在确定延 时上就有首次和非首次之分。首次过载时，根据电动机的反时限保护特性曲线， 利用插值法求出对应于该过载电流的动作时问；而非首次过载时，要考虑热积累 效应，求出相应的动作时间。定时器延时到时间后，保护器动作。 1 首次过载插值法求动作时间 如图所示是一个非线性的、反时限的曲线，即在电流倍数1 3 较小时比较陡直， 动作时间长；电流倍数1 3 较大时比较平缓，动作时间短。而且该曲线很难找到一 个明确的数学表达式。在引用a r m 控制器控制时，编写保护程序之前就必须对 1 5 安徽理- t 大学硕士学位论文 这个非线性曲线进行线性化处理。通过对该曲线的分析，考虑到保护的灵敏度、 误差的允许及编程的复杂度，采用分段插值法。 基本思路是：将过载保护曲线分为6 段，每一段用直线方程去逼近。但该曲 线的曲率变化率不是恒定的值，因此分段点选取非等距分段法，即在保护曲线曲 率变化小的地方，插值间距大些，在保护曲线变化大的地方，插值问距小些。具 体采用五个插值基点分别为bi ，1 32 ，1 33 ，b4 ，b5 ，与其对应的时间点分别为 t 1 ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，t 5 ，如图3 所示： b1b 2b3p4p5 图3 反时限特性曲线 f i 9 3g r a p ho fc o u n t e rt i m el i m i t 现在，用图中的折a b 、b c 、c d 、d e 来代替相应的四段曲线。 段的线性插值公式为： 当b 1 3l 时，f = o 。 当8l b b2 时，t = = t l + k l ( bl 一8 ) 当b2 1 3 b3 时，t = t 2 + k 2 ( 1 32 一b ) 当b3 b b4 时，t = t 3 + k 3 ( b3 一b ) 当1 34 b c o 时，表示过载时间已倒， 此时微处理器给出脱扣信号及相应的过载提示。 3 3 信号采样算法 3 3 1 采样方式的比较 为了实现信号的有效的处理及电机的有效的保护，本系统需要对三相电压及 电流信号进行模拟量采集。数据采集是实现自动化的重要环节，如何准确、快速 的采集系统的各个模拟量，是至关重要的。根据采样信号的不同，可分为直流采 样，交流采样及压频变换法。 1 直流采样法 就是将各种交流量通过降压、整流、滤波、非线性校准等各种电子线路变换 为相应大小的直流量，然后对直流信号进行采样和a d 转换。这种方法软件设计 简单，且便于滤波，但直流采样存在以下问题。 1 ) 实时性差。直流信号不能及时的反映被测信号的突变，具有较大的滞后时 间常数。被测信号送入变送器以后，要经过互感器转换成交流低压信号，经过硬 件整流、滤波、转换成与被测信号成比例的直流电压信号输出，整个过程花费的 时间较长，在快速性要求较高的采样系统和保护系统中不易使用。 2 ) 精度低。测量信号直