李 兵

（中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥 230068）

電機(jī)保護(hù)器增加嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)研究

李 兵

（中水三立數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥 230068）

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）是發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)的重要器件，是跨行業(yè)、量大面廣、節(jié)能效果顯著的節(jié)能機(jī)電產(chǎn)品，幾乎滲透到所有用電領(lǐng)域，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常生產(chǎn)和安全工作的重要保證，在國民經(jīng)濟(jì)和節(jié)能事業(yè)中有著不可替代的重要地位和作用?！吨腥A人民共和國節(jié)約能源法》規(guī)定：節(jié)能是指加強(qiáng)用能管理，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的措施，減少從能源生產(chǎn)到消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)中的損失和浪費(fèi)，更加有效、合理地利用能源，這是節(jié)能發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針。

電機(jī)保護(hù)器；嵌入式操作系統(tǒng)；DSP

1　當(dāng)前國內(nèi)電動(dòng)機(jī)使用情況及電動(dòng)機(jī)保護(hù)器技術(shù)發(fā)展的重要性

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國運(yùn)行的1kW-320kW低壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量為6000萬臺(tái)，占電網(wǎng)用電量的70%以上，是工農(nóng)業(yè)及商業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力設(shè)備。全國每年燒毀電動(dòng)機(jī)數(shù)量約300萬臺(tái)，容量為10億千瓦，每年僅電動(dòng)機(jī)在燒毀過程中就耗電億萬度，修理費(fèi)高達(dá)100億元左右，造成停工停產(chǎn)損失達(dá)100億元。不僅如此，電機(jī)修理后還會(huì)造成功率下降，耗電量大，性能變差等后果，直接影響企業(yè)正常生產(chǎn)。全國每年因維修電動(dòng)機(jī)浪費(fèi)電磁線約1億萬公斤，若少生產(chǎn)1億萬公斤電磁線（每公斤需用電33.4度）每年就可節(jié)約用電33.4億度。上述情況說明，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器技術(shù)的不斷發(fā)展，可以節(jié)約大量能源和費(fèi)用，避免不必要的損耗。

2　目前國內(nèi)智能型電機(jī)保護(hù)器的發(fā)展?fàn)顟B(tài)

國內(nèi)外一些廠家為適應(yīng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的需要研制過智能型電機(jī)保護(hù)器，但技術(shù)水平高低不一。少部分采用液晶顯示屏，較少采用先進(jìn)的高速DSP芯片，國內(nèi)目前尚未應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)電機(jī)保護(hù)器。

3　對(duì)引入嵌入式操作系統(tǒng)的可能性探討

目前工控領(lǐng)域已經(jīng)開始大量引入嵌入式系統(tǒng)，如果基于DSP技術(shù)，在市場(chǎng)已有智能型電機(jī)保護(hù)器所實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上加入嵌入式操作系統(tǒng)，就可以將電機(jī)保護(hù)器升級(jí)為一個(gè)嵌入式平臺(tái)。

引入嵌入式操作系統(tǒng)后，可以使軟件的通用性增強(qiáng)，擴(kuò)展性增強(qiáng)，并且可以增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性、容錯(cuò)性和可升級(jí)能力，同時(shí)可以為產(chǎn)品今后進(jìn)一步擴(kuò)充功能打下基礎(chǔ)。

該創(chuàng)新符合了產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的潮流，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)軟件、工業(yè)電子產(chǎn)品、數(shù)字技術(shù)及產(chǎn)品、新型傳感器等應(yīng)用產(chǎn)品的研究與開發(fā)。

4　新型電機(jī)保護(hù)器的技術(shù)目標(biāo)

引入嵌入式操作系統(tǒng)的智能電機(jī)保護(hù)器將用于工業(yè)領(lǐng)域的電機(jī)保護(hù)，水利工程中用于水庫、船閘、水電站、泵站及供排水工程的閘門啟閉機(jī)的保護(hù)。

新型電機(jī)保護(hù)器應(yīng)具有高速處理能力，高可靠性，擴(kuò)展兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于中小型電動(dòng)機(jī)，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)發(fā)生過熱、過載、短路、欠壓、堵轉(zhuǎn)和不平衡等故障時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。其主要技術(shù)特點(diǎn)為：六位數(shù)碼管分頁顯示和數(shù)據(jù)掉電保護(hù)；采用高速高集成度的DSP芯片；并行高精度高速AD轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)采樣3路電壓和三路電流值；標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU接口；采用了嵌入式操作系統(tǒng)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性擴(kuò)展性和兼容性。

5　本技術(shù)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

作者采用DSP作為處理器，該處理器具有運(yùn)算速度快功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。該處理器采用多路高精度AD芯片，可同時(shí)采集三相交流電壓和三相電流，裝置具有過載、堵轉(zhuǎn)、電流不平衡、缺相、過壓、欠壓、欠載、過流等保護(hù)功能的電機(jī)保護(hù)器。

新型電機(jī)保護(hù)器包括電源板、控制板和顯示板。電源板與控制板通過3個(gè)雙排插針成90度角相插接，電源板上設(shè)置有電源模塊、19個(gè)外接線的接線端子、繼電器和電壓互感器，電源模塊為其它模塊的工作提供直流電源，繼電器用來輸出控制信號(hào)，電壓互感器用來把高壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為毫安信號(hào)。

控制板包括供電單元、6路采樣電阻和濾波電路、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器、模擬量轉(zhuǎn)換輸出電路和485通訊模塊，采樣電阻和濾波電路用來轉(zhuǎn)換電壓互感器輸出的電流信號(hào)并進(jìn)行低通濾波后經(jīng)運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DSP處理器，DSP處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，模擬量轉(zhuǎn)換輸出電路和485通訊模塊與DSP處理器連接。

顯示板包括8段數(shù)碼管、多個(gè)按鍵和多個(gè)報(bào)警指示燈，所述8段數(shù)碼管、按鍵和報(bào)警指示燈均焊接在顯示板上并且通過10腳插排與所述控制板連接。

電源模塊上設(shè)置有一個(gè)為所述控制板提供直流電源10針排插、一個(gè)10針模擬和數(shù)字信號(hào)排插和一個(gè)16針的模擬和數(shù)字信號(hào)排插。

電源板上設(shè)置有19個(gè)外接線的接線端子中，有3個(gè)接線端子為220V電源，其余均為信號(hào)線。19個(gè)外接線端子成單排排列。

可設(shè)置：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間、額定電流、過載動(dòng)作時(shí)間、過壓動(dòng)作值、欠壓動(dòng)作值、堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)（相對(duì)于額定電流）、漏電保護(hù)動(dòng)作電流值、三相電流不平衡率、欠載動(dòng)作值。

對(duì)比市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，定位小尺寸純保護(hù)功能的電機(jī)保護(hù)器，新型電機(jī)保護(hù)器測(cè)量的電機(jī)參數(shù)較全，包括三路電壓三路電流的模擬量測(cè)量。而相類似尺寸和功能的電機(jī)保護(hù)裝置有的只測(cè)量三相電流有的測(cè)量三相電壓或三相電流加一相電壓，因此裝置的保護(hù)功能受到一定限制，而本產(chǎn)品測(cè)量參數(shù)較全，在現(xiàn)有基本保護(hù)功能的基礎(chǔ)上可提供全面的三相電壓欠過壓保護(hù)及由用戶選配的相序保護(hù)和功率保護(hù)，因此與市場(chǎng)同類小型的電機(jī)保護(hù)器相比，新型電機(jī)保護(hù)器在做到小型化及低成本的情況下可為用戶提供更多的保護(hù)功能和選擇，使保護(hù)功能更接近大型的電機(jī)保護(hù)器。

6　本技術(shù)產(chǎn)品的具體實(shí)現(xiàn)

以下將結(jié)合圖1-2對(duì)新型電機(jī)保護(hù)器作進(jìn)一步說明。

新型電機(jī)保護(hù)器包括電源板1、控制板2和顯示板3。電源板1與控制板2通過3個(gè)雙排插針成90度角相插接，電源板1上設(shè)置有電源模塊11、成單排排列的19個(gè)外接線的接線端子12、繼電器13和電壓互感器14，電源模塊11為其它模塊的工作提供直流電源，電源模塊11上設(shè)置有一個(gè)為控制板2提供直流電源10針排插、一個(gè)10針模擬和數(shù)字信號(hào)排插和一個(gè)16針的模擬和數(shù)字信號(hào)排插，19個(gè)外接線的接線端子中，有3個(gè)接線端子為220V電源，其余均為信號(hào)線，繼電器13用來輸出控制信號(hào)，電壓互感器14用來把高壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為毫安信號(hào)。

控制板2包括供電單元21、6路采樣電阻和濾波電路25，運(yùn)算放大器24，A/D轉(zhuǎn)換器23，DSP處理器22，模擬量轉(zhuǎn)換輸出電路26和485通訊模塊27。采樣電阻和濾波電路25用來轉(zhuǎn)換電壓互感器14輸出的電流信號(hào)并進(jìn)行低通濾波后經(jīng)運(yùn)算放大器24和A/D轉(zhuǎn)換器23進(jìn)入DSP處理器22。DSP處理器22對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，模擬量轉(zhuǎn)換輸出電路27和485通訊模塊26均與DSP處理器22連接，顯示板3包括8段數(shù)碼管、多個(gè)按鍵和多個(gè)報(bào)警指示燈，八段數(shù)碼管、按鍵和報(bào)警指示燈均焊接在顯示板上并且通過10腳插排與控制板2連接。

電機(jī)保護(hù)檢測(cè)三相電壓UA，UB，UC，三相電流以IA，IB，IC為基礎(chǔ)。

新型電機(jī)保護(hù)器具體的工作過程如圖1所示。

（1）當(dāng)220V交流電輸入電源模塊后系統(tǒng)上電，DSP對(duì)各子系統(tǒng)初始化，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)（自動(dòng)保存前次參數(shù)）點(diǎn)亮顯示屏。（2）電機(jī)動(dòng)力線電壓電流信號(hào)通過接線端子進(jìn)入互感器，把強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，此信號(hào)為電流信號(hào)，由采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)濾波電路濾波和運(yùn)算放大器放大后送往A/D轉(zhuǎn)換器，DSP控制高精度的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器采用三相電壓、三相電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，DSP通過并行16位數(shù)據(jù)總線讀入六路模擬量的實(shí)時(shí)值。（3）DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，得到三相電壓、三相電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)，通過零序電流互感器得到漏電流值。（4）DSP通過以上數(shù)值計(jì)算判斷電機(jī)是否處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)，處于何種非正常狀態(tài)，并將當(dāng)前電壓、電流值或故障代碼等數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送給顯示電路顯示，如發(fā)生異常狀態(tài)由DSP驅(qū)動(dòng)雙路繼電器動(dòng)作報(bào)警。（5）儀表通過應(yīng)答方式或?qū)崟r(shí)方式應(yīng)用485總線與上位機(jī)聯(lián)系，傳輸當(dāng)前電壓電流值或故障代碼等信息，可接受來自上位機(jī)的指令控制修改參數(shù)。同時(shí)儀表可通過4～20mA信號(hào)輸出當(dāng)前任意一路可選電壓或電流值。

圖1　新型電機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型電機(jī)保護(hù)器中由雙路繼電器輸出控制信號(hào)，電機(jī)異常時(shí)切斷電機(jī)動(dòng)力回路；DSP（TMS320LF2407）作為系統(tǒng)處理器，它是TI公司開發(fā)的帶16×16硬件乘法器模塊的工控處理器；運(yùn)算放大器和TI的高速并行16bitADC芯片（ADS8364）組成測(cè)量電路，檢測(cè)轉(zhuǎn)換后的交流電壓信號(hào)；485通訊模塊進(jìn)行儀表和上位機(jī)的通訊，采用ModbusRTU協(xié)議；4～20毫安轉(zhuǎn)換電路，由DSP通過PWM把電壓電流值調(diào)制成方波信號(hào)，再由運(yùn)放轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后送往U/I轉(zhuǎn)換芯片（AD694）轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出。

新型電機(jī)保護(hù)器具體以下特點(diǎn)：（1）六位數(shù)碼管可翻頁顯示電壓電流及各種參數(shù)，內(nèi)容清晰，操作方便。（2）高可靠的模塊電源，220V交流電輸入。（3）可顯示三相電壓三相電流，顯示內(nèi)容全面。（4）采用工作電壓監(jiān)控和防止死機(jī)的看門狗技術(shù)。（5）采用高速處理器高精度AD器件保證采樣的實(shí)時(shí)性和反應(yīng)速度，采用數(shù)字濾波技術(shù)和誤碼檢測(cè)技術(shù)，以提高測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性。（6）通過面板上的按鈕可完成各種數(shù)據(jù)設(shè)置操作，操作直觀易懂。（7）大容量無源觸點(diǎn)輸出，功能可編程，控制、報(bào)警功能強(qiáng)大。（8）具有掉電記憶功能，各種預(yù)置數(shù)據(jù)在停機(jī)后再加電開機(jī)無需作任何調(diào)整即可投入使用。（9）內(nèi)嵌RS—485通訊接口，便于組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。（10）具有漏電流輸入功能。漏電保護(hù)更精確，響應(yīng)時(shí)間更短。

7 新型電機(jī)保護(hù)器的特點(diǎn)及實(shí)用性

新型電機(jī)智能保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）主要以單片機(jī)作為

控制器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化綜合保護(hù)，具有遠(yuǎn)程通訊功能，可在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)256臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電機(jī)在線綜合監(jiān)視與控制，在采樣和整定精度方面與模擬型電機(jī)保護(hù)器相比有質(zhì)的飛躍，可對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行軟件非線性校正，并可實(shí)現(xiàn)真有效值計(jì)算，從而極大地降低了被測(cè)信號(hào)波形畸變的影響，真正實(shí)現(xiàn)了高精度采樣，在整定方面采用數(shù)字設(shè)定，通過鍵盤由用戶自行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，不存在誤差，還可為過載保護(hù)設(shè)置多條更科學(xué)的反時(shí)限曲線。因?yàn)椴捎昧藛纹瑱C(jī)就使得在相同硬件條件下集多種功能于一體的綜合保護(hù)器的出現(xiàn)成為可能，具有遠(yuǎn)程通訊、聲光報(bào)警、過載、堵轉(zhuǎn)、短路、漏電、欠流、故障記憶等多種功能，采用交流采樣技術(shù)、多點(diǎn)線性校正技術(shù)、量程自動(dòng)切換技術(shù)，能保持很高的采樣精度。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器（電機(jī)保護(hù)器）正朝著智能化、綜合化、高精度、高可靠方向發(fā)展。

Research on the Technology of Embedded Operating System for Motor Protector

Li Bing
（China Water Sunny Data Technology Co.， Ltd.， Hefei 230068， China）

The motor protector（motor protector）is a crucial device of power generation， power supply and power system， which is also an energy-saving mechanical and electrical product of cross industry with a large amount of remarkable energy-saving effect.It almost penetrated into all electric field， which is the important guarantee of industry， agriculture and national defense construction and people's normal life and production safety work， in the national economy and the energy conservation， it has the important status and importance that cannot be replaced. The People's Republic of China Energy Conservation Law regulations that energy efficiency means the measures of strengthening energy management， taking technical， economy， environment and society can undertake to reduce the energy of the loss and waste in each link of consumption. Whose goal is to make effective and rational use of energy.And this is a long-term strategic policy of energy saving development.

motor protector； embedded operating system； DSP

李兵（1973— ），男，安徽蚌埠。