基于STM32的低壓電機再啟動控制器設(shè)計

王楠楠，劉春英

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

“晃電”是指電網(wǎng)因雷擊、短路、發(fā)電廠故障及其他外部、內(nèi)部原因造成電網(wǎng)短時間電壓大幅度波動、甚至短時斷電數(shù)秒的現(xiàn)象；“晃電”會使系統(tǒng)電壓瞬間降低，導(dǎo)致接觸器、變頻器及斷路器等控制設(shè)備脫扣，造成能源供應(yīng)中止或生產(chǎn)線停產(chǎn)[1]。企業(yè)中，大量低壓電動機由接觸器來控制，供電系統(tǒng)短暫失壓將會使接觸器因失電脫扣，導(dǎo)致電機停機?；坞娊Y(jié)束后，電網(wǎng)電壓恢復(fù)，電機需人工啟動，大量時間被延誤。給企業(yè)造成了相當(dāng)大的直接、間接的經(jīng)濟損失。

本文針對交流接觸器控制的電動機，設(shè)計了一種基于STM32微控制器和MODBUS協(xié)議的低壓電機再啟動控制器。根據(jù)用戶現(xiàn)場回路采用不同的接線方式，實現(xiàn)相應(yīng)的再起動控制，有效避免了晃電對企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的影響。

控制器充分利用STM32微處理器豐富的片上資源和強大的處理功能，實現(xiàn)電機精確、安全再啟動，并實時顯示電機運行狀態(tài)以及當(dāng)前電壓值；以RS485為物理層，通過MODBUS協(xié)議，實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場設(shè)備的智能化控制以及網(wǎng)絡(luò)化管理。

1 工作原理

1.1 控制器原理

低壓電機再啟動控制器供電電路引自交流接觸器控制電路L、N端，并通過控制器的輸出控制端檢測接觸器KM常開輔助觸點狀態(tài)，從而判斷晃電發(fā)生情況。

現(xiàn)場電路供電正常時，控制器電源電路中設(shè)計法拉電容作為儲能元件，發(fā)生晃電時，電容放電供控制器工作，可維持工作時間300 s。

當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生晃電時，交流接觸器KM的線圈失電，接觸器KM主觸點斷開，正在運行的電機停機。同時接觸器KM常開輔助觸點斷開，控制器啟動計時?？刂破鲗崟r監(jiān)測電網(wǎng)電壓，根據(jù)電壓恢復(fù)情況控制電機：如果電網(wǎng)電壓在設(shè)定時間內(nèi)的某一時刻開始恢復(fù)正常，此時開始，根據(jù)工藝流程要求，控制器延時控制相應(yīng)繼電器閉合，接觸器KM線圈得電，KM主觸頭閉合，因電網(wǎng)晃電造成停機的電機再啟動；如果在允許時間內(nèi)電網(wǎng)電壓沒有恢復(fù)正常，則控制器相應(yīng)繼電器不動作，線路保持?jǐn)嚅_，電機由其它方式再啟動。

1.2 工作方式

控制器設(shè)計了兩路繼電器控制，根據(jù)現(xiàn)場對電機再啟動方式要求，來控制繼電器J1和繼電器J2狀態(tài)，實現(xiàn)不同方式的電機再啟動，如星三角啟動回路或降壓啟動回路的電機再起動。

控制器通過RS485總線可以和上位機進(jìn)行雙向通信。上位機可以對接觸器狀態(tài)及抗晃電時間等進(jìn)行遙控和查詢；上位機有要求時，控制器可以將接觸器當(dāng)前狀態(tài)、晃電時間、有無晃電現(xiàn)象等信息上傳至上位機。

2 控制器硬件電路設(shè)計

控制器由電源電路、STM32微處理器、電壓監(jiān)測、繼電器、按鍵輸入、顯示、485通信模塊組成?？刂破饔布驁D如圖1所示。

圖1 硬件框圖Fig.1 Block diagram of hardware devices

控制器4個輸入按鍵包括復(fù)位鍵、功能選擇鍵、位選擇鍵、加1/確認(rèn)功能鍵；數(shù)碼管顯示晃電時間、電網(wǎng)電壓等。通信模塊實現(xiàn)控制器與上位機通信。

2.1 STM32微處理器

STM32系列32位閃存微控制器使用來自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[2]。

控制器以32位STM32F103RBT6為核心處理器，性能高、功耗低。片上集成128 K字節(jié)的Flash存儲器，2個12位μs級A/D轉(zhuǎn)換器，3個 USART接口。微處理器基于Cortex-M3 CPU，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，單周期32位乘法和硬件除法器，大幅提高Cortex-M3運算能力。

編程時，應(yīng)用STM32固件函數(shù)庫，可以大大降低編寫程序的時間，降低成本。

2.2 電源電路

控制器由電網(wǎng)交流低壓經(jīng)過開關(guān)電源變換輸出電壓供電?！盎坞姟痹賳涌刂破鞅仨毮軌蛟谙到y(tǒng)供電出現(xiàn)低電壓或者供電中斷時維持正常連續(xù)工作，才能夠在電壓恢復(fù)后按設(shè)定的參數(shù)精確再啟動[3]。電壓電路原理圖如圖2所示，圖中法拉電容C2、C4的作用為晃電時，作為維持控制器工作的電源；D2、D3、D4功能為防止法拉電容向開關(guān)電源供電，損壞開關(guān)電源；R1用來限制法拉電容的充電電流。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

2.3 電壓監(jiān)測

控制器通過監(jiān)測接觸器常開輔助觸點判斷電機運行狀態(tài)，通過L、N兩端電壓監(jiān)測電網(wǎng)電壓恢復(fù)情況，控制電機再啟動。電壓監(jiān)測電路如圖3所示，電壓互感器T1輸出電流，經(jīng)R2輸出電壓，D7、D8兩個保護(hù)二極管與1.5 V基準(zhǔn)電壓，保證電壓互感器輸出電壓UA在0.8～2.2 V，在處理器A/D的線性工作范圍內(nèi)；R10、C52低通濾波，R9吸收特高頻信號，便于諧波分析；D5、D6組成鉗位電路，防止A/D輸入信號過小或過大燒壞芯片。

圖3 電壓監(jiān)測電路Fig.3 Voltage monitoring circuit

2.4 繼電器控制

繼電器控制電路中采用光耦合器實現(xiàn)控制電路與現(xiàn)場電路電氣隔離，同時保持信號聯(lián)系。如果電網(wǎng)電壓在規(guī)定時間內(nèi)恢復(fù)正常，STM32控制對應(yīng)輸出端口，光耦合器3腳輸出高電平，R8防止光耦合器截止時，三極管基極下拉至地，保證三極管截止，通過限流電阻R6給三極管發(fā)射結(jié)提供靜態(tài)偏置，三極管處于飽和狀態(tài)，控制繼電器閉合，線路閉合，實現(xiàn)電機再啟動；如果電網(wǎng)電壓沒有恢復(fù)正常，則繼電器保持?jǐn)嚅_，電機由其它方式再啟動。D10為續(xù)流二極管，C5為濾波電容。繼電器控制電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Relay controlling circuit

3 軟件設(shè)計

控制器軟件設(shè)計決定電機能否實現(xiàn)精確、安全的再啟動。通信協(xié)議選擇決定上位機對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控的準(zhǔn)確性和實時性?？刂破鬈浖O(shè)計包括MODBUS協(xié)議選擇、通信命令格式、電機再啟動控制程序。

3.1 MODBUS協(xié)議選擇

MODBUS協(xié)議是應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中的一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，通過該協(xié)議，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以連接成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集散控制。RS485總線通信方式具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離較遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)葍?yōu)點[4]。

標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議有2種工作模式：ASCII模式和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU模式比ASCII模式能夠傳送更多的數(shù)據(jù)[5]，因此控制器采用RTU模式來實現(xiàn)MODBUS通信協(xié)議。

RTU消息幀典型格式如表1所示。采用RTU模式通信時，消息發(fā)送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在最后一個傳輸字符之后，一個至少3.5個字符時間的停頓標(biāo)定消息的結(jié)束。

表1 RTU消息幀Tab.1 RTU message frame

3.2 MODBUS通信命令格式

MODBUS通信采用主從方式，在同一網(wǎng)絡(luò)中，主機和從機必須都采用統(tǒng)一通信模式和同一傳輸速率。

控制器與上位機通信包括最近一次晃電開始時間、晃電結(jié)束時間，因晃電停機電機是否由控制器重啟，控制器參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)供電時重啟電機及對時等信息。

如1號控制器記錄最近一次晃電發(fā)生時間為2014年2月12日6時25分37.55秒，結(jié)束時間為2014年2月12日6時25分37.98秒。時間在4個寄存器中，用毫秒方式表示，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，則上述發(fā)生時間存儲為：07de 020c 0619 92ae。寄存器首地址為01H，上位機讀寄存器功能碼為03H，控制器1返回晃電發(fā)生和結(jié)束時間，則命令格式為

上位機發(fā)送：0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x08 0x1d 0x14

控制器 1返回：0x01 0x03 0x10 0x07 0xde 0x02 0x0c 0x06 0x19 0x92 0xae 0x07 0xde 0x02 0x0c 0x06 0x19 0x94 0x5c 0x07 0x5a

上位機對時命令，保證現(xiàn)場組網(wǎng)設(shè)備時鐘一致。對時命令以廣播方式發(fā)送，功能碼為10H，寄存器首地址為40H。如果統(tǒng)一對時時間為2014年2月13日8時10分20.20秒，則命令格式為

上位機發(fā)送：0x00 0x10 0x00 0x40 0x00 0x04 0x08 0x07 0xde 0x02 0x0d 0x08 0x0a 0x4e 0xe8 0x10 0x23

上位機發(fā)送對時命令后，現(xiàn)場組網(wǎng)中所有從機設(shè)備如控制器1按命令設(shè)置控制器時間。

1號控制器重啟晃電后停機的電機，則首地址00H寄存器值為01，否則為00，則當(dāng)重啟后上位機查詢時，命令格式為

上位機發(fā)送：0x01 0x03 0x00 0x00 0x00 0x01 0x0a 0x84

控制器 1返回：0x01 0x03 0x02 0x00 0x01 0x84 0x79

3.3 再啟動控制程序

再啟動控制包括3個模塊：電機掉電判斷及再啟動；實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓，微處理器采樣中斷功能可保證實時性；人機交互模塊。電機再啟動控制部分流程如圖5所示?？刂破髦饕鶕?jù)接觸器輔助觸點判斷電機運行狀態(tài)變化，根據(jù)掉電后電網(wǎng)電壓恢復(fù)情況和現(xiàn)場線路設(shè)計，控制繼電器動作。

圖5 再啟動控制流程圖Fig.5 Flow chart of restarting controlling

4 典型控制接線應(yīng)用

控制器可以實現(xiàn)不同接線方式電機再啟動，以星-三角接線再啟動為例，介紹控制器控制接線應(yīng)用，接線圖如圖6所示。

圖6 再啟動控制接線圖Fig.6 Wiring chart of restarting controlling

控制器通過監(jiān)測接觸器KM3輔助觸點狀態(tài)判斷是否有晃電現(xiàn)象發(fā)生。再啟動控制過程為：如果ZJ釋放，控制器輸出再啟動信號，繼電器J1線圈得電，KM3線圈得電主觸頭閉合，同時時間繼電器SJ得電延時，KM1線圈得電主觸頭閉合，電機以星形接線啟動；SJ延時到，SJ常開觸點閉合，繼電器ZJ線圈得電，KM3線圈失電，KM2線圈得電主觸頭閉合同時SJ線圈失電，KM1線圈不斷電，電機以三角形接線運行。

5 結(jié)語

控制器采用STM32作為核心處理器，充分利用其豐富的片上資源和高速處理能力，準(zhǔn)確測量電網(wǎng)電壓，精確定時再啟動因晃電停機的電機。通過RS485總線與上位機通信，采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，實現(xiàn)低壓電網(wǎng)的智能化控制?？刂破魍瓿珊螅殉晒?yīng)用于某些連續(xù)生產(chǎn)的煤化工企業(yè)中，有效防止因電網(wǎng)晃電而造成的電機停機事故。

[1] 陳建厚.企業(yè)“晃電”治理的方法[J].電氣應(yīng)用，2011，30（6）：21-24．

[2] 季力.基于STM32芯片的電參數(shù)測量與數(shù)據(jù)傳輸[J].自動化與儀器儀表，2010（3）：137-139.

[3] 高仁璟，崔建軍，郝剛.“晃電”檢測與再啟動控制器設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2008，29（4）：822-824.

[4] 汪義旺，崔鳴，祁春清.RS-485/Modbus在FFU控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010，31（6）：39-44.

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