基于MCF51EM256低壓保護測控裝置的研發(fā)

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，低壓終端上的電機或者其他饋線設備都需要智能化綜合測控裝置，配合接觸器和斷路器等，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡化及一體化功能，提高設備智能化管理水平，方便用戶的使用。本文研發(fā)的低壓測控裝置就能完整地實現(xiàn)上述的控制、測量、保護、通訊和管理一體化的功能。

1 低壓測控裝置功能概述

低壓測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，通過高速MCU處理器計算負載電流、接地電流、電壓、不平衡度、功率及電能等參數(shù)；結合內(nèi)置保護算法處理，根據(jù)需要來實現(xiàn)保護的投入、退出、報警或者跳閘，實現(xiàn)可選擇性的保護功能；通過開關量的輸入輸出功能，配合接觸器、斷路器可完成相關的控制邏輯，實現(xiàn)一定的工藝聯(lián)鎖或控制保護功能；如應用在MCC回路中，可完成馬達的直接啟動、可逆啟動，Y-△的啟動控制；具有強大的網(wǎng)絡通訊功能，采用標 準 的RS485、MODBUS_RTU 協(xié) 議（ 可 擴展PROFIBUS-DP，工業(yè)以太網(wǎng)，CAN網(wǎng)絡的DEVICENET）可輕松地實現(xiàn)組網(wǎng)功能，方便用戶的維護和管理[1]。圖1為一個典型的低壓測控裝置結構示意圖，它從主回路中采集電壓、電流及溫度等信號，經(jīng)內(nèi)部的MCU高速處理，結合開關量輸入信號DI進行開關量輸出控制處理。具有人機交互顯示功能，豐富的網(wǎng)絡通訊接口可方便用戶的管理。

圖1 低壓測控裝置結構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MCU選型

MCU是低壓測控裝置的核心，它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制、網(wǎng)絡通訊和人機交互功能。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量，結合高速的32位COLDFIRE核，可實現(xiàn)各種測控保護運算算法。硬件獨立的RTC和兩個安全的FLASH內(nèi)存可完成事件記錄管理功能，同時通過遠程固件更新，減少裝置的維護成本。多達3個SPI、3個SCI和1個I2C接口，可實現(xiàn)多種網(wǎng)絡通訊功能。內(nèi)部集成了2個TPM多功能定時器模塊和1個16位、2個8位定時模塊以及豐富的GPIO口，可方便地完成定時中斷和各種開關數(shù)字量的輸入采集和輸出控制。借助CODEWARRIOR-IDE開發(fā)平臺和免費的MQX 操作系統(tǒng)，可高效快速的進行軟件開發(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 信號處理

低壓保護測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。通過電阻分壓、電流傳感器等方式進行信號取樣，經(jīng)MCU內(nèi)部的基準抬高后進運放放大、濾波后直接連接MCU內(nèi)部的4個8通道的16位ADC引腳，借助MCU內(nèi)部PDB模塊來啟動ADC的交流采樣轉(zhuǎn)換，并提供MCU采集ADC轉(zhuǎn)換結果的中斷服務，這種不用MCU程序控制的數(shù)據(jù)采集方式提高了MCU的運行效率。用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關信號的9路開關量干接點開關輸入信號經(jīng)過光耦隔離后接入MCU的GPIO引腳,MCU通過中斷定時查詢的方式獲取現(xiàn)場開關信息。MCU通過高速信號采集和智能化分析和邏輯處理后通過片內(nèi)的GPIO輸出5路繼電器來進行保護和控制輸出操作，信號處理電路見圖4。

2.3 通訊電路

圖4 信號處理電路

低壓保護測控裝置采用總線型的分布式網(wǎng)絡通訊結構，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硬件設計，軟件編寫ModBus-RTU 協(xié) 議 模 塊，支 持01、02、03、04、06、10 等命令操作。同時利用片內(nèi)另外2個SCI部分，可外擴展標準的ProfiBus-DP、CAN-DeviceNet及Ethernet模塊，完成其他總線網(wǎng)絡的通訊。RS485-ModBus通訊電路見圖5。

圖5 RS485通訊電路

2.4 MCU外圍及人機交互

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

3 軟件設計

利 用FREESCALE的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境及免費開源的MQX（Message Queue eXecutive:消息隊列執(zhí)行）操作系統(tǒng)，結合低壓保護測控裝保護算法，合理地進行任務劃分和任務模塊編寫。按保護測控裝置的交流采樣及數(shù)據(jù)預處理、保護判斷、驅(qū)動輸出、人機交互及通訊進行任務劃分，并進行相關任務模塊的程序編寫，實現(xiàn)軟件良好的移植維護性和高可靠性。

3.1 MQX操作系統(tǒng)移植

為了適應不同體系結構的處理器和開發(fā)板，MQX必須把一部分與具體硬件設備相關的代碼作為抽象的接口保留出來。硬件驅(qū)動由硬件設計方具體實現(xiàn)，這就是MQX移植，在MQX的BSP、PSP的文件夾中進行修改和剪裁。MQX3.6及以后的版本均支持MCF51EM256的BSP、PSP的驅(qū)動代碼，開發(fā)者只做少量移植工作就能適應不同項目的需求，同時通過對user_config.h進行配置，可選擇打開/關閉外設來進行剪裁。

3.2 保護原理及算法實現(xiàn)

低壓保護測控裝置的算法包括了交流采樣中的付式算法（計算基波分量）、序量分量計算（正序、零序、負序），在運行參數(shù)測量和上述特征量計算后進行各種故障判斷，如短路、過載、缺相、低電壓及過電壓判斷，并根據(jù)整定的要求進行故障輸出。同時根據(jù)系統(tǒng)配置的邏輯控制要求進行相應的DI和DO控制操作。

3.3 軟件框圖

根據(jù)低壓保護測控裝置軟件中對實時性和準確性的要求，將任務分解成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預處理，特征量運算及保護判斷，驅(qū)動輸入輸出、通訊及人機交互，任務間采用信號量進行通訊。程序框圖如圖7所示，可見采用操作系統(tǒng)的編程方式。由于每個模塊和任務都是獨立、實時地運行，非常適合于低壓保護測控裝置下的模塊移植化、任務實時運行的要求。

4 結束語

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和豐富的低壓保護和工業(yè)現(xiàn)場控制經(jīng)驗編寫軟件來實現(xiàn)智能化的保護、測量、控制、網(wǎng)絡通訊和管理功能，具有良好的先進性和經(jīng)濟性，以及一定的參考價值。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)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會. GB14048.4-2010低壓開關設備和控制設備[S].北京： 中國標準出版社，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.