基于CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)研究

趙忠英　施洋　王元慧

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)步和發(fā)展，控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)順應(yīng)控制系統(tǒng)、配電網(wǎng)絡(luò)等的要求而產(chǎn)生，由于控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)具有傳統(tǒng)電器組合所不具備的可靠性高、功能全等眾多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。但是由于現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出來(lái)的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)成本太高，操作不便等缺點(diǎn)。本文結(jié)合降低成本以及實(shí)現(xiàn)檢測(cè)大量程電流等目的， CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】觸頭系統(tǒng)；現(xiàn)狀；性能設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活以及各行各業(yè)的發(fā)展都已經(jīng)離不開(kāi)電，電的作用體現(xiàn)在我們周圍的各個(gè)角落，各種各樣的電器也伴隨著人們的需求而產(chǎn)生和發(fā)展。CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)也在人們提出各種需求的情況下產(chǎn)生和發(fā)展著。CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的發(fā)展將對(duì)我國(guó)的各行各業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，所以，對(duì)CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和研究是十分有意義和價(jià)值的。

1.CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的現(xiàn)狀及研究意義

1.1 CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電器的需求也越來(lái)越多，90年代以來(lái)，電動(dòng)機(jī)控制以及低壓配電兩個(gè)系統(tǒng)也已經(jīng)發(fā)展到保護(hù)、智能化監(jiān)控以及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)在，第二代以智能、環(huán)保、節(jié)能為主題的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)已投入使用。伴隨著不斷變化的社會(huì)需求，我國(guó)也在原有的CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)更適合社會(huì)需求的新產(chǎn)品，使得我國(guó)CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的水平進(jìn)一步提高，使國(guó)內(nèi)的CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中更占優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)主要包含動(dòng)力模塊、保護(hù)與控制單元、擴(kuò)展功能模塊、輔助觸頭及附件等模塊。各種各樣的CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)在國(guó)內(nèi)及國(guó)外市場(chǎng)上出現(xiàn)。各種CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能基本一致。

1.2 CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)研究的意義

隨著科技的迅猛發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了大量的自動(dòng)化的電器，這些電器的運(yùn)行情況將嚴(yán)重影響到工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和進(jìn)度，所以，對(duì)CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)有了越來(lái)越多的需求。CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的工作和運(yùn)行情況依靠現(xiàn)場(chǎng)總線就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到保護(hù)和控制負(fù)載的效果。CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)可以依靠顯示器和鍵盤(pán)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)修改。CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)已經(jīng)按照高性能、安裝及調(diào)試方便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、節(jié)省材料、節(jié)省能源、模塊化、集成化、小型化等越來(lái)越高的要求發(fā)展和進(jìn)步著，所以CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和研究的意義是巨大的。

2.觸頭系統(tǒng)

2.1電接觸基本原理

金屬在空氣中不免要氧化或硫化，在表面生成一層很薄的氧化膜或硫化膜，而后者的電阻率比金屬本體的電阻率要大得多，這也使得觸頭接觸處的電阻增大。這樣，在觸頭接觸處就形成了所謂的接觸電阻，它會(huì)使觸頭的損耗增大，溫升升高，因此接觸電阻是有害的，然而又是不可避免的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，觸頭間的接觸電阻為：Rj=K/（9.8F）a式中：F 為觸頭間的接觸壓力（N）；a 為與接觸形式有關(guān)的指數(shù)，點(diǎn)接觸時(shí)a=0.5、面接觸時(shí)a=1、線接觸時(shí)a=0.7；K為與材料的物理性質(zhì)以及接觸表面狀況有關(guān)的系數(shù)（Ω·kg）。

2.2控制系統(tǒng)的硬件選型

2.2.1 MCU選型

單片機(jī)的主要功能體現(xiàn)在將RAM、CPU、ROM、I/O等零件全部聚集在一個(gè)集成電路上形成的微型的計(jì)算機(jī)。隨著單片機(jī)的快速發(fā)展，類型也越來(lái)越多，并且各種類型的單片機(jī)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，各種單片機(jī)不同特點(diǎn)的相互補(bǔ)充，進(jìn)而擴(kuò)大應(yīng)用范圍。結(jié)合CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能要求以及各種單片機(jī)的不同特點(diǎn)，8位單片機(jī)比較符合要求，所以本文的設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了STC12C5A48S235型號(hào)的單片機(jī)。

2.2.2傳感器的選型

由于CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的主要作用是在遇到不正常的情況下通過(guò)切斷主回路來(lái)保護(hù)馬達(dá)的。由于大電流交變電流的測(cè)量過(guò)程中，危險(xiǎn)性很高，這就要求互感器發(fā)揮其電流轉(zhuǎn)換作用，首先把大電流轉(zhuǎn)化為比較小的電流以起到保護(hù)作用。結(jié)合CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的需求以及各種型號(hào)的互感器的功能特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中選擇LMZJ1-0.5型號(hào)的互感器。

2.3控制系統(tǒng)的硬件的電路模塊

控制系統(tǒng)的硬件電路包括七大模塊，分別是電源模塊、鍵盤(pán)模塊、MCU模塊、顯示模塊、通信模塊、程序放大及數(shù)據(jù)處理模塊。

2.3.1通信模塊

傳統(tǒng)的RS232通信的傳輸距離只有15米，還存在只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)對(duì)傳輸距離以及總線式傳輸?shù)囊蟮?，所以本次設(shè)計(jì)中并沒(méi)有采用RS232通信，而是選用了傳輸距離高達(dá)1200米并且支持總線式通訊的RS485通信，因?yàn)樗粌H可以滿足CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)對(duì)傳輸距離的要求，還支持總線式通訊，并且還具有很多RS232不具備的優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2電源模塊

CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)要求在電源模塊運(yùn)用單相的全波橋形式的整流電路。電路中運(yùn)用了四個(gè)相互連接成橋的二極管?？紤]電源模塊的重要性，本次設(shè)計(jì)中電源模塊選擇了LM7805型號(hào)的三端穩(wěn)壓電路。這是綜合考慮了電源模塊的各種需求以及LM7805的各種特性和優(yōu)點(diǎn)做出的慎重選擇。

2.3.3數(shù)據(jù)處理模塊

由于需要對(duì)電壓放大的倍數(shù)進(jìn)行調(diào)解，并且需要把大小和方向都在變化的交流電變?yōu)橹绷麟?，此外，還需要濾除輸出的整流電路中的交流成分。因此，CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊也提出了相對(duì)較多的要求。

2.3.4程控放大模塊

為了滿足操作方便及節(jié)約成本等需求，CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)采用了程控放大器來(lái)避免和解決電流較小時(shí)出現(xiàn)的精確度不夠的問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到大量程電流的測(cè)量只靠一個(gè)大電流比的互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

3.CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)

由于C語(yǔ)言具有語(yǔ)句精煉、移植性好等許多優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。但是優(yōu)點(diǎn)眾多的C語(yǔ)言也有其自身的缺陷，就是它是不能直接對(duì)計(jì)算機(jī)的接口地址及硬件資源進(jìn)行訪問(wèn)的，因此，訪問(wèn)速度也遠(yuǎn)不及匯編語(yǔ)言。但是匯編語(yǔ)言的很多特性例如移植性等都是遠(yuǎn)不及C語(yǔ)言的。綜合各語(yǔ)言特性的重要程度，本次設(shè)計(jì)選擇C語(yǔ)言來(lái)作為下位機(jī)的編程語(yǔ)言。

4.總結(jié)

隨著社會(huì)的發(fā)展，CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)在各行各業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，這就對(duì)CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的功能和性能有了越來(lái)越高的要求，CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)也順應(yīng)了市場(chǎng)的需求按照高性能、安裝及調(diào)試方便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、節(jié)省材料、節(jié)省能源、模塊化、集成化、小型化等特點(diǎn)發(fā)展和改進(jìn)著。伴隨著CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的性能越來(lái)越優(yōu)，它在生產(chǎn)生活中的作用也會(huì)越來(lái)越明顯，對(duì)CPS控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和研究的需求也將越來(lái)越迫切。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐偉，王佳佳，謝啟等.控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器測(cè)量功能檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，（9）：61-64.

[2]王平，高龍琴.全程電流測(cè)試的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，（4）：157-160.

[3]戴梅，謝啟，徐偉等.控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器電源模塊參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（6）：107-110.