智能短路器說明及有關(guān)故障解決

1、智能短路器說明及有關(guān)故障解 決新型低壓斷路器智能控制變壓器的設(shè)計(jì) 所屬頻道 : 自動化關(guān)鍵詞 : 智能斷路器控制 變壓器0 引言DeviceNet 是20 世紀(jì) 90 年代中期發(fā)展起來的一種現(xiàn)場總線 ,物理層和數(shù)據(jù)鏈 路層采用CAN 技術(shù),是一種應(yīng)用于底層工業(yè)設(shè)備互聯(lián)的總線。 它具有效率高、 成本低和可 靠性高的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)之一。將DeviceNet 總線接口集成到控制變壓器中,實(shí)現(xiàn)控制 變壓器與控制網(wǎng)絡(luò)通信 ,是控制變壓器發(fā)展的一個重要趨勢?，F(xiàn)在國 內(nèi)生產(chǎn)的低壓斷路器控制變壓器與控制網(wǎng)絡(luò)通信一般采用自定義協(xié)議,存在通信可靠性低、互換性差等缺點(diǎn) ,鑒于此,本文設(shè)計(jì)了

2、一種基于 DeviceNet 協(xié)議的新型低壓斷路器智能控制 變壓器。1 智能控制變壓器功能該低壓斷路器智能控制 變壓器主要實(shí)現(xiàn) 2 個功能:一是采樣線路的電流、電壓信 號,并對信號處理后輸出相應(yīng)的保護(hù)動作 ;二是實(shí)現(xiàn)與 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信。 因此,按功能分析 ,智能控制變壓器包括 2 個部分 :控制模塊和通信模塊?？刂颇K主要實(shí)現(xiàn)信 號采集、保護(hù)判斷、保護(hù)動作等功能。通信模塊即 DeviceNet 通信接口 ,主要完成與DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間顯性報(bào)文和 I/O 報(bào)文的交換。該控制變壓器是一個從設(shè)備 ,它與外部交 互的數(shù)據(jù)有 2種:一種是從 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)

3、上接收的數(shù)據(jù) ,該數(shù)據(jù)必須是針對本設(shè)備的 , 不是針 對本設(shè)備的數(shù)據(jù)不接收 ;一種是本設(shè)備根據(jù)請求向 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的數(shù)據(jù) ,該數(shù)據(jù)必 須符合DeviceNet 協(xié)議 ,這也是最后產(chǎn)品測試的主要部分 1 。2 硬件設(shè)計(jì)該智能控制變壓器硬件主要由 DSP 及外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)、控制模塊和通 信模塊3 個部分組成 ,如圖 1 所示。2.1DSP 及外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)DSP 及外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)有電源電路、復(fù)位電路、 JTAG 仿真電路、時 鐘電路。DSP選用TMS320LF2407,它是一款高性能的定點(diǎn)16位DSP芯片,時鐘頻率最高可達(dá)40MHz,從而提高了控制 變壓器

4、的實(shí)時控制能力；片內(nèi)有高達(dá)32KB的FLASH 程序存儲器、高達(dá)1.5KB 的數(shù)據(jù)/程序RAM、544B 的雙口 RAM 和2KB 的單口 RAM,可以 不用外擴(kuò)存儲 器;內(nèi)置看門狗定時器模塊、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器(最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns) 、控制 變壓器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)模塊,完全支持CAN2.0B2。2.2 控制模塊控制模塊由信號采樣調(diào)理電路、 鍵盤電路、 液晶顯示電路、 輸出控制脫扣器電路 等組成。(1) 信號采樣調(diào)理電路信號采樣調(diào)理電路主要通過電壓、 電流互感器采樣斷路器所在線路的電壓和 電流信號，送到TMS320IF2407的A/D 口 ,如圖2所示，由于TMS320IF2

5、407 的工作電壓是03.3V,因此需要對采樣信號進(jìn)行預(yù)處理。電壓和電流采樣信號為 6 路模擬量 ,包括線路的 3 個線電流和3 個線電壓。LM324 設(shè)計(jì)成運(yùn)算放大器 ,調(diào)節(jié)放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)輸入信號的幅值 ;同時加入基準(zhǔn)電壓,通過調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)輸入信號的零點(diǎn) ,從而可得到比較理想的輸入信號。信 號在接入TMS320LF2407 之前應(yīng)進(jìn)行電容濾波和二極管限壓。(2) 鍵盤電路鍵盤電路除實(shí)現(xiàn)電流、 電壓等參數(shù)設(shè)置外 ,同時還可對 DeviceNet 節(jié)點(diǎn)地址和通 信波特 率進(jìn)行設(shè)置。節(jié)點(diǎn)地址范圍是063MACID,通信波特率為125kbit/s 250kbit/s 、500kbit/s三種

6、。(3) 液晶顯示電路液晶顯示電路采用液晶顯示模塊OCMJ4X8C實(shí)現(xiàn),它是128 X64點(diǎn)陣的漢字 圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字(16 X16點(diǎn)陣)、128個字符(8 X16點(diǎn)陣)、64 X256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM) 及ST7920 控制變壓器。(4) 輸出控制脫扣器電路輸出控制脫扣器電路如圖 3 所示,其作用是出現(xiàn)故障時 ,控制變壓器輸出控制信號驅(qū)動脫扣器動作 ,切除故障電路?？刂圃硎敲?2ms 采樣一次線路的電流和電壓 ,根據(jù) 采樣值判斷保護(hù)是否動作 ,若出現(xiàn)斷相、短路和漏電故障 ,則立即切斷電路 ;若出現(xiàn)過流、過壓和 欠壓故障 ,將采樣的電流值

7、和電壓值與設(shè)定值比較 ,從而得出延時時間值 ,延時時間到則保護(hù) 動作。在開關(guān)量輸出通道中 ,為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng),一般采用光電隔離技術(shù) ,可以有效地隔離電信號 ,提高抗干擾性。2.3 通信模塊TMS320LF2407 芯片內(nèi)置 CAN 控制 變壓器模塊 ,外圍電路只需連接收發(fā)器即 可。CAN控制變壓器模塊是一個完全的 CAN 控制變壓器 ,是一個 16 位的外設(shè)模塊 ,有以 下特性:(1) 完全支持CAN2.0B 協(xié)議;(2)有6個郵箱;(3)當(dāng)發(fā)送時出現(xiàn)錯誤或仲裁時丟失數(shù)據(jù) ,CAN 控制變壓器有自動重發(fā)功能 ;(4)總線錯誤診斷功能。筆者在設(shè)計(jì)硬件電路時

8、將CAN控制變壓器的2個引腳CANRXD 和CANTXD 通過高速光電耦合器 6N137 接到收發(fā)器 PCA82C250 上,即可實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)發(fā)送和接 收數(shù)據(jù)的功能。 CAN 接口電路如圖 4 所示。3 軟件設(shè)計(jì)智能控制 變壓器軟件主要由控制程序和通信接口程序組成。 控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采 集、液晶顯示、輸出控制、鍵盤操作和狀態(tài)指示。通信程序則完成與其它 DeviceNet 節(jié)點(diǎn)的通信。軟件采用模塊化設(shè)計(jì) ,單個功能 獨(dú)立調(diào)試,全部完成后放在一起聯(lián)調(diào) ,具有設(shè)計(jì)明確、調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)。3.1 控制程序設(shè)計(jì)控制程序主要包括主循環(huán)程序、 A/D 采樣中斷程序 2 個部分。主循環(huán)程序以循 環(huán)掃描 的方式實(shí)

9、現(xiàn)通信處理、保護(hù)算法、濾波算法、有效值計(jì)算、 LCD 顯示、鍵盤處 理等功能 ,其流程如圖 5 所示,系統(tǒng)初始化后 ,首先進(jìn)行上電 MACID 檢測 ,進(jìn)入主循環(huán) ,然后進(jìn) 行鍵盤操作判斷 ,再執(zhí)行其它的功能程序。為了保證 A/D 采樣的實(shí)時性 ,A/D 采樣程序采用定 時器中斷的方法實(shí)現(xiàn)。定時器中斷程序采用事件管理器 A 中的定時器 2,定時器 2 定時時間到 就觸發(fā) A/D采樣 ,設(shè)置 A/D 的采樣間隔為 2ms 。程序除了實(shí)現(xiàn) A/D 采樣和轉(zhuǎn)換外 ,還能實(shí)現(xiàn) 斷相、短路和漏電瞬動保護(hù) 3 。 A/D 采樣中斷程序如圖 6 所示。3.2 通信接口程序設(shè)計(jì)根據(jù)該智能控制變壓器的 I/O

10、數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和 DeviceNet 協(xié)議要求 ,確定通信 接口的DeviceNet設(shè)備屬于 DeviceNetGroup2Only從設(shè)備,采用 Predefine的通信連接,支持I/O輪詢報(bào)文和顯性報(bào)文。因?yàn)槭且粋€從設(shè)備 ,除了進(jìn)行上電 MACID 檢測外,它不會 主動向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù) ,而只會根據(jù)接收的數(shù)據(jù)請求發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)。由于主設(shè)備發(fā)送 的請求是無法預(yù)知的 ,提高軟件執(zhí)行效率的最好方法就是采用事件驅(qū)動方式,事件由外部中斷 或程序內(nèi)部產(chǎn)生。通信程序主要由2個部分組成：一是收發(fā)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，二是處理接收的數(shù)據(jù)并發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)4圖1控制器硬件組成圖代彌ii A3圖9 致性測試結(jié)里(1)智能控

11、制變壓器的對象模型：DeviceNet 協(xié)議采用對象的概念和面向?qū)ο蟮姆椒ńM織設(shè)備內(nèi)外部的數(shù)據(jù)信息和通信功能。 其中標(biāo)識對象、路由器對象和DeviceNet對象是每個DevcieNet 設(shè)備都必須包括的對象。下面的連接對象、組合對象和斷路器應(yīng)用對象是針對本設(shè)備設(shè)計(jì)的對象。連接對象包括 2 個實(shí)例 :顯性報(bào)文連接對象和 I/O 輪詢連 接對象。斷路器應(yīng)用對象提供斷路器專有的信息接口 ,完成斷路器的控制功能。組合對象包 括 2 個對象實(shí)例:輸入組合對象負(fù)責(zé)將來自斷路器應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)打包、處理并封裝，供I/O輪詢連接對象使用 ;輸出組合對象將來自 I/O 輪詢連接對象要向斷路器應(yīng)用對象發(fā)送的數(shù)據(jù) 解

12、包、處理并封裝 ,供應(yīng)用對象使用。采用的對象模型如圖 7 所示。(2)報(bào)文的接收：采用CAN通信中斷方式。CAN控制變壓器的每個郵箱都有標(biāo)識符,根據(jù)標(biāo)識符給郵箱分配某一類報(bào)文。本文中03號郵箱分別接收顯性報(bào)文、輪詢I/O 報(bào)文、非連接顯性報(bào)文和重復(fù)檢測報(bào)文。 郵箱5 處理公共數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送。 CAN 接收中斷 程序流程如圖 8 所示。CAN 接收中斷程序是當(dāng)發(fā)生 CAN 通信中斷時將郵箱接收的報(bào)文存入一個臨時 緩沖區(qū),置位相應(yīng)的接收標(biāo)志位。 該緩沖區(qū)作為上層協(xié)議處理和下層數(shù)據(jù)收發(fā)的接口。 每 一種報(bào)文的接收處理程序?qū)⒕彌_區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到相應(yīng)的報(bào)文接收緩沖區(qū),并置位相應(yīng)的報(bào)文 接收標(biāo)志 位。對于分段

13、報(bào)文 ,當(dāng)所有的報(bào)文接收完畢后 ,置位相應(yīng)的報(bào)文接收標(biāo)志。主程序 中查詢該報(bào)文接收標(biāo)志位 ,當(dāng)該報(bào)文接收標(biāo)志位置 1 時進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)文處理。(2) 報(bào)文的處理 顯性報(bào)文主要用于節(jié)點(diǎn)配置時主站讀取和設(shè)置斷路器控制變壓器從站的電壓、 電 流等對象實(shí)例屬性。所以對顯性報(bào)文的處理過程是收到顯性報(bào)文后,首先讀取路徑并路由到目的地 ,讀取相應(yīng)的服務(wù)代碼 ,如果支持則采取相應(yīng)的動作 ( 設(shè)置屬性、讀取屬性或復(fù)位 ), 并將響應(yīng)數(shù)據(jù)放到發(fā)送緩沖區(qū) ,置位請求發(fā)送標(biāo)志位 ;如果不支持 ,就將錯誤代碼和附加代碼 放到發(fā)送緩沖區(qū)，置位請求發(fā)送標(biāo)志位。對I/O 報(bào)文的處理：如果輪詢還未建立，智能控制變壓 器節(jié)點(diǎn)將不接

14、收主站發(fā)送來的輪詢命令 ;如果輪詢處于已建立狀態(tài) ,智能控制變壓器節(jié)點(diǎn)將接 收該輪詢命令,并將它作為一個觸發(fā)事件 ,然后將組合對象實(shí)例的數(shù)據(jù)屬性值作為輪詢響應(yīng)數(shù) 據(jù)發(fā)送出去。(4) 報(bào)文的發(fā)送(5) 報(bào)文的發(fā)送主要用于發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。報(bào)文的發(fā)送過程是主程序檢測郵箱 5(郵 發(fā)送郵箱 )鎖存標(biāo)志位是否為 0,如果為 0,將數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到郵箱 5;當(dāng)轉(zhuǎn) 移完畢后 ,置位郵箱 5 的鎖存標(biāo)志位并設(shè)置數(shù)據(jù)長度 ,當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)大于 8B 時 ,要執(zhí)行分段 發(fā)送;然后請求發(fā)送報(bào)文 ,發(fā)送完畢后將發(fā)送請求標(biāo)志位清 05 。(6) 4 一致性檢測(7) 在完成以上的設(shè)計(jì)工作后 ,該智能控制 變壓器需要通

15、過 ODVA 的協(xié)議兼容性 測試,以 確保產(chǎn)品的協(xié)議完整性、互操作性和互換性。首先搭建一致性測試平臺,測試平臺主要有 1套 SST 公司 DeviceNet 調(diào)試環(huán)境、 2 臺計(jì)算機(jī)、 DeviceNet 接口卡 5136-DN, 測試軟件是 ODVA 提供的 A15 版本。協(xié)議的一致性測試結(jié)果可以看最終生成的 log 文件,因?yàn)闇y試過程中日志文件記錄了報(bào)文的交換信息 ,圖 9 為一致性測試結(jié)果圖。從圖 9 可 以看出 ,該智能控制變壓器通過了 DeviceNet 一致性軟件測試。 本文在網(wǎng)絡(luò)互操作性測試中互連的 DeviceNet 設(shè)備有 5 個,測試結(jié)果如下 :(1) 將該智能控制變壓器連

16、接到網(wǎng)絡(luò)中 ,測試過程一切正常。 (2) 設(shè)置2 個智能控制變壓器的 MACID 相同 , 將它們接入控制網(wǎng)絡(luò) ,發(fā)現(xiàn)后接入的控制 變壓器 網(wǎng)絡(luò)指示燈變成紅色 ,表明發(fā)生網(wǎng) 絡(luò)沖突。 (21C2 Tl UcCPUL.1各類民用建筑的用電指標(biāo)民用建筑的用電指標(biāo)，尤其是負(fù)荷計(jì)算中需要 系數(shù)的大小，一直是一個意見很不一致、沒有完全 解決好的問題。主要是因?yàn)槊裼媒ㄖ那闆r非常繁 雜,諸如不同的地區(qū)、不同的單位、不同的設(shè)備、 不同的使用情況、不同的工程規(guī)模、不同的建設(shè)投 資標(biāo)準(zhǔn)等等，使每平方米建筑面積的用電量有較大 的差異，很難給出一個大家均可使用的標(biāo)準(zhǔn)。有的 工程設(shè)計(jì)者，往往寧大勿小，使已建成的許多工

17、程 的變壓器容量選擇偏大，多數(shù)在很低的負(fù)荷率下運(yùn) 行。1984年在建設(shè)部設(shè)計(jì)局的支持下，由建設(shè)部 建筑設(shè)計(jì)院，北京市建筑設(shè)計(jì)院、華東建筑設(shè)計(jì) 院、中國建筑西北設(shè)計(jì)院、中國建筑西南設(shè)計(jì)院等 單位組成的民用建筑用電負(fù)荷調(diào)查組，在北京、上 海、西安等地對各類賓館飯店進(jìn)行了大量的調(diào)查研 究和蹲點(diǎn)實(shí)測 , 發(fā)現(xiàn)有很大的分散性 , 歷時一年多 也只獲得了階段性成果。由于國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 和人們對民用建筑用電量認(rèn)識的較大差別 , 目前意 見仍難統(tǒng)一。我們參照全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技 術(shù)措施 電氣中的“表 2151221各類建筑物的用電 指標(biāo)” ,修改補(bǔ)充成為表 1,供工程設(shè)計(jì)者在方案或上表中數(shù)值不是施工圖設(shè)計(jì)時某個房間的負(fù)荷 指標(biāo) ,對某個房間的負(fù)荷 ,應(yīng)按其實(shí)際安裝的用電設(shè) 備的需要設(shè)計(jì)。還要注意表 1中的每平方米瓦數(shù) 工作電壓不穩(wěn)定情況下工作 ,但此時使 L1 線圈動作 的能量是足夠的，所以這是由于CPU和模擬電路工 作不穩(wěn)定使T3誤動作,致使L1線圈動作，而這時候 通過斷路器的電流遠(yuǎn)小于整定值。3 解決非正常跳閘的措施經(jīng)上述分析后,在B點(diǎn)加上外接輔助24V直流 電源UB，此時脫扣器以及CPU的工作電壓與斷路 器所通電流的大小無關(guān) ,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)斷路器均能正 常工作 （包括通過上述產(chǎn)生故障的電流 ） 。當(dāng)去掉 輔助電源后 , 將電流調(diào)至上述產(chǎn)生故障的電流附近 值時斷路器又跳閘。證明我們