姜 龍 / 馬新慧 / 孫吉頓

1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801；2.中機(jī)十院國際工程有限公司，北京 100083

引言

在交流50Hz，380V（660V）低壓系統(tǒng)中，配出回路繁多，配電柜空間狹小，低壓終端上的電機(jī)或者其他饋線設(shè)備都需要智能化綜合測(cè)控裝置，配合接觸器和斷路器等，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化及一體化功能，提高設(shè)備智能化管理水平，方便用戶的使用。本文研發(fā)的低壓測(cè)控裝置就能完整地實(shí)現(xiàn)上述的控制、測(cè)量、保護(hù)、通訊和管理一體化的功能。

1 低壓測(cè)控裝置功能概述

低壓測(cè)控裝置能直接采樣三相交流電流、三相交流電壓、溫度熱電阻及漏電流信號(hào)，通過高速M(fèi)CU處理器計(jì)算負(fù)載電流、接地電流、電壓、不平衡度、功率及電能等參數(shù)；結(jié)合內(nèi)置保護(hù)算法處理，根據(jù)需要來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投入、退出、報(bào)警或者跳閘，實(shí)現(xiàn)可選擇性的保護(hù)功能；通過開關(guān)量的輸入輸出功能，配合接觸器、斷路器可完成相關(guān)的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)一定的工藝聯(lián)鎖或控制保護(hù)功能；如應(yīng)用在MCC回路中，可完成馬達(dá)的直接啟動(dòng)、可逆啟動(dòng)，Y-△的啟動(dòng)控制；具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，采用標(biāo) 準(zhǔn) 的RS485、MODBUS_RTU 協(xié) 議（ 可 擴(kuò)展PROFIBUS-DP，工業(yè)以太網(wǎng)，CAN網(wǎng)絡(luò)的DEVICENET）可輕松地實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，方便用戶的維護(hù)和管理[1]。圖1為一個(gè)典型的低壓測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)示意圖，它從主回路中采集電壓、電流及溫度等信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部的MCU高速處理，結(jié)合開關(guān)量輸入信號(hào)DI進(jìn)行開關(guān)量輸出控制處理。具有人機(jī)交互顯示功能，豐富的網(wǎng)絡(luò)通訊接口可方便用戶的管理。

圖1 低壓測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU選型

MCU是低壓測(cè)控裝置的核心，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機(jī)交互功能。這里采用Freescale公司最新推出的MCF51EM256的處理器，它采用高速32位 ColdFire V1內(nèi)核（具有硬件乘法累加MAC單元）,片內(nèi)集成帶可編程延遲模塊PDB和4個(gè)16位SAR型ADC，PDB可以直接控制觸發(fā)ADC的采樣，完成高精度的電壓、電流、漏電流及溫度的交流采樣和測(cè)量，結(jié)合高速的32位COLDFIRE核，可實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控保護(hù)運(yùn)算算法。硬件獨(dú)立的RTC和兩個(gè)安全的FLASH內(nèi)存可完成事件記錄管理功能，同時(shí)通過遠(yuǎn)程固件更新，減少裝置的維護(hù)成本。多達(dá)3個(gè)SPI、3個(gè)SCI和1個(gè)I2C接口，可實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)通訊功能。內(nèi)部集成了2個(gè)TPM多功能定時(shí)器模塊和1個(gè)16位、2個(gè)8位定時(shí)模塊以及豐富的GPIO口，可方便地完成定時(shí)中斷和各種開關(guān)數(shù)字量的輸入采集和輸出控制。借助CODEWARRIOR-IDE開發(fā)平臺(tái)和免費(fèi)的MQX 操作系統(tǒng)，可高效快速的進(jìn)行軟件開發(fā)[3]。

圖2 MCF51EM256功能框圖

圖3 內(nèi)置MQX操作系統(tǒng)的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境

2.2 信號(hào)處理

低壓保護(hù)測(cè)控裝置主要采集的有三相交流電流，三相交流電壓、漏電流和溫度的8路模擬信號(hào)。通過電阻分壓、電流傳感器等方式進(jìn)行信號(hào)取樣，經(jīng)MCU內(nèi)部的基準(zhǔn)抬高后進(jìn)運(yùn)放放大、濾波后直接連接MCU內(nèi)部的4個(gè)8通道的16位ADC引腳，借助MCU內(nèi)部PDB模塊來啟動(dòng)ADC的交流采樣轉(zhuǎn)換，并提供MCU采集ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的中斷服務(wù)，這種不用MCU程序控制的數(shù)據(jù)采集方式提高了MCU的運(yùn)行效率。用于監(jiān)測(cè)斷路器、接觸器的開關(guān)信號(hào)的9路開關(guān)量干接點(diǎn)開關(guān)輸入信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后接入MCU的GPIO引腳,MCU通過中斷定時(shí)查詢的方式獲取現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)信息。MCU通過高速信號(hào)采集和智能化分析和邏輯處理后通過片內(nèi)的GPIO輸出5路繼電器來進(jìn)行保護(hù)和控制輸出操作，信號(hào)處理電路見圖4。

2.3 通訊電路

圖4 信號(hào)處理電路

低壓保護(hù)測(cè)控裝置采用總線型的分布式網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)，目前主流的是RS485-ModBus總線、RS485-ProfiBus總線和CAN-DeviceNet總線，其中最常用的是RS485的ModBus總線。通過MCF51EM256片內(nèi)的SCI單元，采用高速光耦6N137隔離和TI的抗ESD的485芯片SN75LBC184硬件設(shè)計(jì)，軟件編寫ModBus-RTU 協(xié) 議 模 塊，支 持01、02、03、04、06、10 等命令操作。同時(shí)利用片內(nèi)另外2個(gè)SCI部分，可外擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的ProfiBus-DP、CAN-DeviceNet及Ethernet模塊，完成其他總線網(wǎng)絡(luò)的通訊。RS485-ModBus通訊電路見圖5。

圖5 RS485通訊電路

2.4 MCU外圍及人機(jī)交互

通過MCU片內(nèi)LCD模塊可支持8×36點(diǎn)的段碼LCD顯示，可方便用戶簡(jiǎn)單交互調(diào)試；通過I2C/SCI接口同外接顯示模塊連接，完成人機(jī)交互操作。MCF51EM256的外圍電路圖見圖6。

3 軟件設(shè)計(jì)

利 用FREESCALE的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境及免費(fèi)開源的MQX（Message Queue eXecutive:消息隊(duì)列執(zhí)行）操作系統(tǒng)，結(jié)合低壓保護(hù)測(cè)控裝保護(hù)算法，合理地進(jìn)行任務(wù)劃分和任務(wù)模塊編寫。按保護(hù)測(cè)控裝置的交流采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理、保護(hù)判斷、驅(qū)動(dòng)輸出、人機(jī)交互及通訊進(jìn)行任務(wù)劃分，并進(jìn)行相關(guān)任務(wù)模塊的程序編寫，實(shí)現(xiàn)軟件良好的移植維護(hù)性和高可靠性。

3.1 MQX操作系統(tǒng)移植

為了適應(yīng)不同體系結(jié)構(gòu)的處理器和開發(fā)板，MQX必須把一部分與具體硬件設(shè)備相關(guān)的代碼作為抽象的接口保留出來。硬件驅(qū)動(dòng)由硬件設(shè)計(jì)方具體實(shí)現(xiàn)，這就是MQX移植，在MQX的BSP、PSP的文件夾中進(jìn)行修改和剪裁。MQX3.6及以后的版本均支持MCF51EM256的BSP、PSP的驅(qū)動(dòng)代碼，開發(fā)者只做少量移植工作就能適應(yīng)不同項(xiàng)目的需求，同時(shí)通過對(duì)user_config.h進(jìn)行配置，可選擇打開/關(guān)閉外設(shè)來進(jìn)行剪裁。

3.2 保護(hù)原理及算法實(shí)現(xiàn)

低壓保護(hù)測(cè)控裝置的算法包括了交流采樣中的付式算法（計(jì)算基波分量）、序量分量計(jì)算（正序、零序、負(fù)序），在運(yùn)行參數(shù)測(cè)量和上述特征量計(jì)算后進(jìn)行各種故障判斷，如短路、過載、缺相、低電壓及過電壓判斷，并根據(jù)整定的要求進(jìn)行故障輸出。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)配置的邏輯控制要求進(jìn)行相應(yīng)的DI和DO控制操作。

3.3 軟件框圖

根據(jù)低壓保護(hù)測(cè)控裝置軟件中對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，將任務(wù)分解成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，特征量運(yùn)算及保護(hù)判斷，驅(qū)動(dòng)輸入輸出、通訊及人機(jī)交互，任務(wù)間采用信號(hào)量進(jìn)行通訊。程序框圖如圖7所示，可見采用操作系統(tǒng)的編程方式。由于每個(gè)模塊和任務(wù)都是獨(dú)立、實(shí)時(shí)地運(yùn)行，非常適合于低壓保護(hù)測(cè)控裝置下的模塊移植化、任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行的要求。

4 結(jié)束語

本 文 采 用Freescale公 司 最 新 的MCF51EM256，利用其片內(nèi)高精度16位ADC和高速32位處理器，借助CODEWARRIOR和MQX的操作系統(tǒng)的軟件環(huán)境，利用模塊化的軟件架構(gòu)和豐富的低壓保護(hù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制經(jīng)驗(yàn)編寫軟件來實(shí)現(xiàn)智能化的保護(hù)、測(cè)量、控制、網(wǎng)絡(luò)通訊和管理功能，具有良好的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，以及一定的參考價(jià)值。E

圖6 MCF51EM256外圍電路

圖7 軟件框圖

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB14048.4-2010低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] MCF51EM256RM MCF51EM256 Series ColdFire?Integrated Microcontroller Reference Manual MCF51EM256 Datasheet[Z]. Freescale:2010,4.

[3] MQXRM Freescale MQXTMRTOS Reference Manual[Z]. Freescale ：2010，8.