宋琳琳,尹曉光,李 強(qiáng),高 昉
隨著國(guó)內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市交通量的增長(zhǎng),以地鐵為主的城市軌道系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)許多城市中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。整流設(shè)備作為地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中的重要設(shè)備,其監(jiān)測(cè)與控制部分的研究是十分迫切的?;跐撛诘氖袌?chǎng)需求,研制高性能、高可靠性的地鐵整流柜監(jiān)控裝置不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景,而且也可以提高國(guó)產(chǎn)工業(yè)控制器的制造水平,減少對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴(lài),降低城市軌道交通建設(shè)的投資和維護(hù)成本。本文根據(jù)整流器柜監(jiān)控裝置功能原理,通過(guò)分析系統(tǒng)的需求對(duì)監(jiān)控裝置的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。
牽引整流機(jī)組包括牽引整流變壓器和牽引整流器,它的主要功能是將其交流進(jìn)線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)整流變壓器降壓,然后通過(guò)整流器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電向接觸網(wǎng)供電。一個(gè)相數(shù)為p 的整流器,在其直流側(cè)將主要產(chǎn)生n = kp 次諧波,而在其交流側(cè)主要產(chǎn)生n = kp±1 次諧波[1]。為了提高功率因數(shù)、降低牽引變壓器網(wǎng)側(cè)線(xiàn)電壓波形畸變,以減少對(duì)電網(wǎng)的干擾,以及降低輸出直流電壓的紋波系數(shù),城市軌道供電系統(tǒng)中的牽引整流機(jī)組采用等效24 脈波整流電路[2]。
單臺(tái)整流器由2 個(gè)6 脈波三相整流橋并聯(lián)組成,其中一個(gè)三相整流橋接至牽引變壓器閥側(cè)星形繞組,另一個(gè)三相整流橋接至牽引變壓器閥側(cè)三角形繞組。由于每臺(tái)牽引變壓器閥側(cè)星形繞組和三角形繞組對(duì)應(yīng)的線(xiàn)電壓相位錯(cuò)開(kāi)π/6,將2 個(gè)整流橋并聯(lián)便組成12 脈波整流電路,如圖1 所示。
將2 臺(tái)12 脈波整流器的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組采用延邊三角形移相的方法,使得一次側(cè)繞組分別移相+7.5°和-7.5°,2 套整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成等效24 脈波整流,如圖2 所示。
整流器(柜)監(jiān)控裝置的功能是對(duì)整流器運(yùn)行各狀態(tài)量集中進(jìn)行采集、檢測(cè)以及信號(hào)的傳送,最終能以文字的方式顯示各種運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警,并能將報(bào)警信號(hào)傳送至變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。
圖2 等效24 脈波整流機(jī)組示意圖
根據(jù)整流機(jī)組所配備的過(guò)電壓保護(hù)(換相過(guò)電壓保護(hù)、交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù))、過(guò)電流保護(hù)、逆流保護(hù)、溫度保護(hù)等各項(xiàng)保護(hù),分別要采集直流側(cè)電壓、交流側(cè)電壓、逆流跳閘信號(hào)、溫度傳感器的測(cè)量值等量。因而,整流器(柜)監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)由電壓電流采樣模塊(模擬量采集電路、數(shù)字量采集電路)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微處理器模塊、LCD 顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、CAN 總線(xiàn)接口模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊等組成,其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3 所示。
圖3 硬件結(jié)構(gòu)原理圖
整流器(柜)監(jiān)控裝置通過(guò)采集整流器交流側(cè)的電壓、直流側(cè)的電壓、電流、與二極管串聯(lián)的快速熔斷器等信號(hào),對(duì)各狀態(tài)量集中進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)并監(jiān)控交直流側(cè)輸出電壓、直流側(cè)輸出電流、整流管的溫度、快速熔斷器上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)等主要運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)信息,通過(guò)一套精確的控制方法,協(xié)調(diào)控制復(fù)雜系統(tǒng)中各單元信號(hào),從而及時(shí)有序地輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給直流斷路器、繼電器等,將報(bào)警信號(hào)、跳閘信號(hào)傳送至變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng),供值班人員處理。
微處理器選用Cygnal公司的C8051F系列單片機(jī)中的C8051F206 芯片。該款單片機(jī)采用CIP-51內(nèi)核,具有與MCS51 指令系統(tǒng)全兼容可用標(biāo)準(zhǔn)的ASM51Keil C 高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編譯C8051F 系列單片機(jī)的程序。它包含一個(gè)12 位多通道ADC,有8K字節(jié)的FLASH 存儲(chǔ)器,還有用硬件實(shí)現(xiàn)的UART和SPI 串行接口,擁有32 個(gè)通用的I/O 引腳,其中一些能用于指定的數(shù)字外設(shè)接口,任意一個(gè)I/O引腳均可配置成模擬信號(hào)輸入至ADC。
CAN總線(xiàn)收發(fā)器是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口,它能夠提高對(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力,它在微處理器的控制下,將裝置實(shí)時(shí)采集的各狀態(tài)量傳送到變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
CAN 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),具有完善的通信協(xié)議,其通信協(xié)議采用了CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能。另外,與其他現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相比,CAN 總線(xiàn)具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性?xún)r(jià)比高等諸多特點(diǎn),使得CAN 總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的方向[4]。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成對(duì)各狀態(tài)量的數(shù)據(jù)采集、處理,并將故障的報(bào)警和跳閘信號(hào)傳送至變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)中,采用模塊化設(shè)計(jì)方法,使得程序結(jié)構(gòu)清晰,便于以后根據(jù)需求進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下方面:主程序、定時(shí)器及其中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)處理程序、CAN 通訊程序、LCD 顯示驅(qū)動(dòng)程序等。
系統(tǒng)主程序的功能主要是將系統(tǒng)進(jìn)行初始化,啟動(dòng)定時(shí)器,然后依次執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與處理、文本顯示和數(shù)據(jù)傳送等。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能主要是進(jìn)行整流器各橋臂快速熔斷器狀態(tài)、二極管整體狀態(tài)、溫度狀態(tài)、交直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)、逆流保護(hù)及柜門(mén)狀態(tài)等一些狀態(tài)量的采集,數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳。
CAN總線(xiàn)通訊子程序包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、中斷方式的數(shù)據(jù)接收。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令時(shí),CAN 接收到一個(gè)報(bào)文;當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后,CAN 模塊觸發(fā)中斷,進(jìn)入到中斷子程序;當(dāng)收到上位機(jī)通過(guò)CAN 總線(xiàn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后,向上位機(jī)傳送該節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。
(1)參照地鐵整流器柜的資料,研究了地鐵整流柜監(jiān)控裝置的技術(shù)參數(shù),并根據(jù)需求分析、計(jì)算相關(guān)狀態(tài)量的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)、輸出量的數(shù)目及采集方式。
(2)根據(jù)所需的各監(jiān)測(cè)量,給出了硬件原理圖,包括外圍檢測(cè)電路、調(diào)理電路及微處理器芯片的選用、總線(xiàn)收發(fā)器的使用構(gòu)想和簡(jiǎn)介。
(3)在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,完成軟件流程圖的設(shè)計(jì),并選用CAN 總線(xiàn)技術(shù),完成數(shù)據(jù)的傳送與顯示。
(4)本文側(cè)重于根據(jù)地鐵整流器柜在電力監(jiān)控系統(tǒng)上的主要要求的情況下測(cè)量、監(jiān)測(cè)、控制和上傳數(shù)據(jù),若要得到地鐵整流器柜功能更全面、更便捷,則需要采集更多的數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行分析處理。
[1] 謝方.城市軌道交通直流供電整流機(jī)組研究[D].碩士學(xué)位論文,西南交通大學(xué),2009.
[2] 于松偉,楊興山,韓連祥,等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2008.
[3] 郭世明.微機(jī)檢測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.
[4] 來(lái)清民,曲賀梅.基于CAN總線(xiàn)的分布式三維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,(10):40-42.