水泥工廠應(yīng)用馬達(dá)保護(hù)器設(shè)計(jì)

【摘要】隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的低壓設(shè)備控制系統(tǒng)對(duì)建設(shè)智能化水泥生產(chǎn)線存在一定的制約問(wèn)題；本文設(shè)計(jì)的基于ATmega芯片的馬達(dá)保護(hù)器，性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，有效的解決了繼電器-接觸器控制系統(tǒng)缺點(diǎn)，對(duì)構(gòu)建智能工廠，具有一定的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】智能化水泥生產(chǎn)線；馬達(dá)保護(hù)器

1、前言

傳統(tǒng)的低壓設(shè)備控制，是由繼電接觸器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；該系統(tǒng)由接觸器、繼電器、主令電器和保護(hù)電氣等元件組成，按照一定的控制邏輯接線組成的控制系統(tǒng)。繼電器控制線路成本低廉，控制方式直觀、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)調(diào)整方便，現(xiàn)場(chǎng)人員容易掌握使用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于工礦企業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有水泥工廠低壓設(shè)備電氣控制系統(tǒng)絕大部分采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，采用中控和就地控制方式，中控室僅對(duì)低壓電氣設(shè)備的啟停進(jìn)行控制，電氣設(shè)備運(yùn)行信息、故障信息無(wú)法監(jiān)控，45kW及以上電機(jī)設(shè)置有電流顯示功能。該電氣設(shè)備控制系統(tǒng)模式為水泥工廠的快速發(fā)展發(fā)揮了很大的作用，然而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)化和信息化的深度融合，積極探索建設(shè)智能化水泥生產(chǎn)線具有一定的時(shí)代意義；作為水泥工廠底層操作單元的電氣控制系統(tǒng)，在構(gòu)建智能工廠中起到了舉足輕重的作用，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)因控制速度慢，改變控制功能必須通過(guò)改變接線來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信比較麻煩和困難，無(wú)法滿足智能工廠信息化要求?，F(xiàn)有一些馬達(dá)保護(hù)器價(jià)格較高，操作復(fù)雜，人機(jī)界面不直觀，制約了其在傳統(tǒng)行業(yè)中的應(yīng)用。

本文基于ATmega系列高性能微處理器，設(shè)計(jì)了一款智能化多功能馬達(dá)保護(hù)器，可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，且性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，能滿足智能工廠信息化要求，具有一定的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)意義。

2、智能馬達(dá)保護(hù)器功能概述

馬達(dá)保護(hù)器作為水泥工廠底層操作單元的核心部件，應(yīng)具有以下功能：

（1）能完成電氣設(shè)備漏電閉鎖、欠壓、過(guò)壓、電流三相不平衡、過(guò)載、短路等多種保護(hù)功能；

（2）各項(xiàng)保護(hù)功能參數(shù)均可以通過(guò)菜單選擇調(diào)整，適應(yīng)范圍廣；

（3）操作直觀簡(jiǎn)便的配合菜單式友好人機(jī)交互界面；運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前三相電流和系統(tǒng)電壓及系統(tǒng)時(shí)間；

（4）每次調(diào)整的各項(xiàng)保護(hù)功能參數(shù)、故障信息均能記憶保存；

（5）具有數(shù)據(jù)通信接口與監(jiān)控系統(tǒng)連接。

3、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1微處理器選擇

作為保護(hù)裝置的核心部件，處理器的選擇至關(guān)重要，處理器的性能及功能直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量及價(jià)格。本款產(chǎn)品立足于水泥工廠電氣設(shè)備控制，控制算法、控制邏輯不復(fù)雜，產(chǎn)品功能無(wú)特殊要求，滿足基本保護(hù)功能外，應(yīng)具備通訊及保護(hù)記憶功能，因此一款高性能、多功能、價(jià)格低廉的微處理器選擇是本產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。

縱觀電機(jī)控制領(lǐng)域中的微處理器由單片機(jī)類型、DSP類型等。傳統(tǒng)單片機(jī)雖價(jià)格便宜但功能太簡(jiǎn)單，內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，運(yùn)算速度慢，一般用于簡(jiǎn)單的智能儀表設(shè)計(jì)；DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)在電機(jī)控制領(lǐng)域中正逐步取代單片機(jī)，成為控制系統(tǒng)的核心，價(jià)格較高、控制算法復(fù)雜，適用于復(fù)雜控制領(lǐng)域，尤其在矢量控制方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合以上說(shuō)明，傳統(tǒng)單片機(jī)和DSP芯片都不太適合本款產(chǎn)品需求，本設(shè)計(jì)選用高性能、低功耗、價(jià)格低廉的AVR系列微處理器（ATmega128），該芯片有以下功能特點(diǎn)：

先進(jìn)RISC結(jié)構(gòu)：133條指令大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，32x8通用工作寄存器+外設(shè)控制寄存器，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。

非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、壽命10000次寫(xiě)/擦除周期，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，多達(dá)64K字節(jié)的優(yōu)化外部存儲(chǔ)器空間。

JTAG接口：支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試。

外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8路10位ADC通道，具有兩個(gè)通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器。

選用此芯片，運(yùn)算速度比傳統(tǒng)單片機(jī)快30多倍，帶有可編程Flash和ADC通道；芯片價(jià)格是DSP價(jià)格的一半，比傳統(tǒng)單片機(jī)價(jià)格貴2倍，但是考慮芯片最小系統(tǒng)的完整性，價(jià)格是傳統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)的80%。

綜上所述，ATmega系列產(chǎn)品從性能、功能及價(jià)格方面都是本款水泥工廠用馬達(dá)保護(hù)器的最佳選擇。

3.2信號(hào)處理回路

電壓檢測(cè)電路由隔離變壓器提供線電壓（額定電壓為10V），即變比為380/10；經(jīng)電阻分壓、運(yùn)算器隔離后進(jìn)入芯片ADC通道。

電流檢測(cè)回路由電流互感器，直接穿在三相母線上，便可獲得與一次側(cè)電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)濾波放大處理后進(jìn)入芯片ADC通道。

3.3開(kāi)關(guān)量信號(hào)回路

開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)光電隔離后直接進(jìn)芯片輸入信號(hào)管腳，輸出信號(hào)原理一樣。

3.4通訊接口電路

通訊接口電路是實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)完成包括遠(yuǎn)方分閘、遠(yuǎn)方合閘、修改參數(shù)、查詢開(kāi)關(guān)狀態(tài)、查詢模擬量、查詢軟件版本號(hào)、復(fù)位等操作的關(guān)鍵載體。

液晶顯示回路、鍵盤(pán)操作回路、系統(tǒng)時(shí)間回路、電源處理回路略。

4、軟件設(shè)計(jì)概述

本文設(shè)計(jì)的馬達(dá)保護(hù)器的控制軟件主要由三部分組成：初始化模塊、系統(tǒng)功能模塊和中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)在每次復(fù)位后，首先執(zhí)行初始化模塊，然后開(kāi)啟中斷，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行功能程序模塊，同時(shí)，當(dāng)外部中斷條件（包括故障保護(hù)中斷和鍵盤(pán)中斷）滿足時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

結(jié)論：

本文所設(shè)計(jì)馬達(dá)保護(hù)器，充分考慮現(xiàn)有水泥工廠運(yùn)行情況及操作人員習(xí)慣，功能豐富，操作簡(jiǎn)單易懂，配置有友好的人機(jī)界面及數(shù)據(jù)通訊接口，可實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，且性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，滿足了構(gòu)建智能工廠對(duì)底層操作單元的要求，具有一定的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)意義。

參考文獻(xiàn)：

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