單片機(jī)用于變壓器油面溫度測(cè)溫控制

安順供電局 貴州 安順 561000

1 引言

電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備之一。變壓器的作用是多方面的,不僅能升高電壓把電能送到用電地區(qū),還能把電壓降低為各級(jí)使用電壓,以滿足用電的需要?？傊?電網(wǎng)的升壓與降壓都必須由變壓器來(lái)完成,它是輸變電的樞紐。隨著城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展,必然造成線路用電負(fù)荷激增,但是相應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)相對(duì)滯后,一個(gè)表現(xiàn)就是電力變壓器沒(méi)有按規(guī)模同步增加,這就形成了大部分電力變壓器超負(fù)荷運(yùn)行。在用電負(fù)荷明顯過(guò)大的情況下,電力變壓器會(huì)產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷發(fā)熱現(xiàn)象,雖然并不會(huì)立即導(dǎo)致變壓器損壞,但是相對(duì)于同等容量正常負(fù)荷運(yùn)行的其他變壓器相比,發(fā)熱異常的電力變壓器使用壽命更低,突發(fā)損壞的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加,運(yùn)行穩(wěn)定性變差。另一方面,即使在沒(méi)有過(guò)負(fù)荷的變壓器上,變壓器過(guò)熱現(xiàn)象也依然存在,很多對(duì)供電要求較高的地方只能采用雙電源供電,這樣必然導(dǎo)致用電成本的大幅增加。

為了保障電力變壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,變壓器溫度指示控制器的引入起到了重要作用。常用的溫度指示控制器是采用機(jī)電一體化的原理而設(shè)計(jì)的,例如BWY-804J(TH),如圖1所示。

圖1 電力變壓器溫度指示控制器

2 針對(duì)常規(guī)電力變壓器溫度指示控制器的改進(jìn)

對(duì)于常規(guī)電力變壓器溫度指示控制器在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤動(dòng)作狀況,本文提出了一種結(jié)合微型單片計(jì)算機(jī)(即單片機(jī)或MCU控制器)的解決方案。單片機(jī)本質(zhì)上是一種數(shù)字集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(通常還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用及其廣泛。單片機(jī)將數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力集成到芯片中,憑借著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算功能,實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的邏輯控制以及對(duì)數(shù)據(jù)的高速化處理。具體到本設(shè)計(jì)方案中,由于系統(tǒng)主要是對(duì)變壓器油面溫度進(jìn)行檢測(cè)以及控制儀表開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的吸合,主要傳輸?shù)氖莻鞲衅餍盘?hào)和控制信號(hào),而非高速的數(shù)據(jù)通信信號(hào),因此采用8位單片機(jī)即可滿足設(shè)計(jì)要求,具體型號(hào)是國(guó)產(chǎn)IAP15W4 K系列單片機(jī)。該型單片機(jī)采用了增強(qiáng)型8051內(nèi)核,大幅提高了傳統(tǒng)8051單片機(jī)的運(yùn)行速度,增設(shè)了眾多功能單元電路,同時(shí)具備極好的程序加密型。還有一個(gè)重要特性就是具備在應(yīng)用編程功能,即在不停機(jī)的狀態(tài)下用戶可寫入新的控制指令,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行在線升級(jí)提供了極大便利,這就使得該型單片機(jī)相對(duì)于其他類型單片機(jī)具備了更好的環(huán)境適應(yīng)性,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況靈活添加或更改控制功能。

具體到本方案,我們的改進(jìn)措施體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)將儀表輸出電流信號(hào)引入單片機(jī)進(jìn)行二次處理。由于電力變壓器溫度指示控制器可將油溫的變化輸出為一個(gè)對(duì)應(yīng)成比例4-20m A的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào),本方案首先將此電流信號(hào)通過(guò)一個(gè)電流變送器轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)成比例的0-5 V直流電壓,之所以要進(jìn)行這一步轉(zhuǎn)換是因?yàn)閱纹瑱C(jī)上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC不能夠直接以電流作為輸入,但是可以接收直流電壓作輸入并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)字量供后續(xù)進(jìn)一步處理。為了提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度,必須讓輸入直流電壓量程盡可能與單片機(jī)ADC參考電壓(+5V)接近,因此本方案采用了專用的電流/電壓變送模塊實(shí)現(xiàn)這一要求。

(2)設(shè)置人機(jī)界面(HMI)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定。原電力變壓器溫度指示控制器內(nèi)裝有四組可調(diào)控制開(kāi)關(guān)和對(duì)應(yīng)的溫度設(shè)定機(jī)械凸輪,通過(guò)機(jī)械凸輪可以讓儀表本身設(shè)定各組控制開(kāi)關(guān)的動(dòng)作溫度,當(dāng)儀表測(cè)得溫度超過(guò)此溫度時(shí),微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,觸點(diǎn)接通控制回路。如前所述,由于在安裝部署或者檢修過(guò)程中常因?yàn)槿藶椴恍⌒挠|碰儀表內(nèi)器件、接點(diǎn)受潮凝露、回路絕緣不夠等會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)誤動(dòng)作,因此在本方案中,我們通過(guò)人機(jī)界面(由按鍵電路與LCD1602字符型液晶顯示器構(gòu)成)的引入,通過(guò)單片機(jī)采集按鍵動(dòng)作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表內(nèi)各組控制開(kāi)關(guān)的選擇以及對(duì)應(yīng)動(dòng)作溫度和儀表量程的設(shè)定。具體設(shè)置四個(gè)按鍵:K1(控制開(kāi)關(guān)所屬組選擇,組的數(shù)量與儀表控制開(kāi)關(guān)組數(shù)一致且對(duì)應(yīng));K2(儀表溫度量程上下限選擇);K3(設(shè)定值加1);K4(設(shè)定值減去1)。在實(shí)際操作過(guò)程中,以常用儀表BWY-804J(TH)為例,其內(nèi)部有四組凸輪和相應(yīng)數(shù)量控制開(kāi)關(guān),在按下K1按鍵過(guò)程中,單片機(jī)程序?qū)ζ浒聪麓螖?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù),其結(jié)果用變量count_k1表示,count_k1的變化范圍從1-4周而復(fù)始(即按下第一次K1則count_K1為1,第二次為2,以此類推,超過(guò)第四次又重新回1),程序根據(jù)它的當(dāng)前值就可以判定目前選擇的是第幾組控制開(kāi)關(guān);對(duì)按鍵K2也做類似處理,統(tǒng)計(jì)變量為count_K2,值的范圍從1-2,count_K2為1時(shí)對(duì)應(yīng)于儀表的量程下限選擇,count_K2為2時(shí)對(duì)應(yīng)于儀表的量程上限選擇;對(duì)按鍵K3,按下一次,根據(jù)前面K1或者K2是哪一個(gè)按下,使得對(duì)應(yīng)參數(shù)(選中的開(kāi)關(guān)組的動(dòng)作溫度或者選中的量程的上下限)減1攝氏度;對(duì)按鍵K4,則類似K3按鍵處理,對(duì)應(yīng)值加1攝氏度。通過(guò)這種按鍵次數(shù)軟件計(jì)數(shù)判別的方法,可以大大節(jié)約按鍵的使用數(shù)量,簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

(3)增設(shè)繼電器單元向控制回路提供觸發(fā)信號(hào)。本方案在硬件電路上增設(shè)繼電器單元,繼電器的數(shù)量與儀表的實(shí)際啟用的控制開(kāi)關(guān)組數(shù)相同。其目的是在不破壞儀表原始構(gòu)造,新增設(shè)的繼電器觸點(diǎn)是在收到來(lái)自單片機(jī)的合閘信號(hào)后導(dǎo)通,單片機(jī)讀取儀表的輸出信號(hào)及導(dǎo)通信號(hào),當(dāng)接點(diǎn)導(dǎo)通時(shí)讀取儀表輸出信號(hào),確定儀表輸出信號(hào)大于設(shè)定值再輸出合閘信號(hào)。而人為誤動(dòng)或者儀表接點(diǎn)受潮短接后,單片機(jī)讀取的儀表輸出未到設(shè)定值,單片機(jī)輸出分閘信號(hào),觸點(diǎn)不動(dòng)作。新增設(shè)的繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作只受單片機(jī)的控制,而與儀表的微動(dòng)開(kāi)關(guān)無(wú)關(guān)。在具體電氣連接過(guò)程中,斷開(kāi)儀表的原生開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與冷卻報(bào)警控制回路的-110 V端鈕,而將新增繼電器的對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)接入控制回路。這樣即使存在安裝檢修狀態(tài)下人為原因誤觸碰到儀表內(nèi)部,只要此刻單片機(jī)不輸出觸發(fā)信號(hào),繼電器的觸點(diǎn)就不存在誤接通控制回路的狀況發(fā)生,從而徹底解決傳統(tǒng)儀表所面臨的上述問(wèn)題。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將上述設(shè)計(jì)思路變成現(xiàn)實(shí),本設(shè)計(jì)需要解決兩方面的問(wèn)題:第一是硬件電路的設(shè)計(jì),其關(guān)鍵是主控系統(tǒng)電路功能劃分,器件選型,信號(hào)接口設(shè)計(jì)等;第二是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),這部分需要與硬件電路相配合,通過(guò)軟件運(yùn)行控制方式充分發(fā)揮系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)單元相互連接構(gòu)成,各單元功能如下:

(1)單片微型計(jì)算機(jī)(MCU單元):該單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心,承擔(dān)著直流電壓信號(hào)采集、接點(diǎn)導(dǎo)通電信號(hào)變化采集、按鍵電路檢測(cè)處理、LCD液晶顯示器顯示驅(qū)動(dòng),繼電器觸點(diǎn)控制等一系列功能。該單元啟用定時(shí)控制方式周期性地采集從電流變送器傳輸進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)內(nèi)部ADC單元的轉(zhuǎn)換,得到對(duì)應(yīng)溫度的數(shù)字量,并進(jìn)一步與各組設(shè)定動(dòng)作溫度進(jìn)行比較,一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前采集到的溫度達(dá)到或超過(guò)四組當(dāng)中某一組的設(shè)定值時(shí),則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)繼電器線圈通電,其觸點(diǎn)隨即接通電力變壓器冷卻報(bào)警控制回路工作。反之,當(dāng)前溫度值低于該組設(shè)定值時(shí),對(duì)應(yīng)繼電器失電,觸點(diǎn)斷開(kāi)控制回路,冷卻報(bào)警工作立即停止。對(duì)于各參數(shù)的設(shè)定通過(guò)采集按鍵電路進(jìn)行,為了保證系統(tǒng)動(dòng)作的實(shí)時(shí)性,系統(tǒng)采用中斷機(jī)制對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行處理,并進(jìn)一步將設(shè)定過(guò)程及其參數(shù)的變化通過(guò)驅(qū)動(dòng)LCD液晶進(jìn)行同步顯示。

(2)電源電路:該電路主要由交流穩(wěn)壓電路、濾波電路構(gòu)成,其作用是向控制計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5 V直流電源,保證系統(tǒng)所需的正常電源供應(yīng),這部分電路設(shè)計(jì)中采用專用電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)所需供電要求。

(3)按鍵電路:該電路由四個(gè)獨(dú)立按鍵構(gòu)成,分別對(duì)應(yīng)控制開(kāi)關(guān)組的選擇、變壓器量程上限/下限選擇、設(shè)定溫度值加1以及設(shè)定溫度值減1操作。

(4)LCD液晶顯示器:該單元用于設(shè)定的參數(shù)以及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中溫度數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示,與按鍵電路共同構(gòu)成人機(jī)界面。

(5)時(shí)鐘和復(fù)位電路:如采用單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心控制計(jì)算機(jī),則一般需要在單片機(jī)模塊外部設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘電路,通過(guò)該電路輸出一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào),使得計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)功能電路步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作,這是系統(tǒng)正常運(yùn)行所必須具備的輔助電路,時(shí)鐘頻率的快慢決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

復(fù)位電路的作用是保證單片機(jī)在因各種因素陷入非正常工作狀態(tài)時(shí),通過(guò)復(fù)位機(jī)制可以讓系統(tǒng)從故障狀態(tài)中迅速解脫出來(lái)回復(fù)正常運(yùn)行,這是確保系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要措施,在具體實(shí)施過(guò)程中一般可以同時(shí)采取人工強(qiáng)制復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式相結(jié)合。

(6)電力變壓器溫度指示控制器:該單元即原生控制儀表(例如BWY-804J型儀表),在本設(shè)計(jì)中我們利用其輸出的標(biāo)準(zhǔn)4-20m A直流信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行二次處理,以獲取變壓器當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度數(shù)值,同時(shí)接入接點(diǎn)回路合閘與否的信息進(jìn)行判斷。單片機(jī)外接繼電器的觸點(diǎn)并與變壓器冷卻報(bào)警控制回路相連接。單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)原生溫度表的接點(diǎn)設(shè)定值設(shè)定相應(yīng)溫度值。

(7)電流變送器:該單元的作用是將電力變壓器溫度指示控制器輸出的標(biāo)準(zhǔn)4-20m A直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的0-5V直流電壓信號(hào),以供單片機(jī)進(jìn)行采集和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理,并進(jìn)一步得到當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

(8)繼電器:繼電器單元的作用是通過(guò)接收單片機(jī)分析接點(diǎn)回路與傳輸回路是否到達(dá)設(shè)定溫度發(fā)出的相應(yīng)信號(hào),作出觸點(diǎn)是否導(dǎo)通的動(dòng)作,其與冷卻報(bào)警回路連接,繼電器的數(shù)量應(yīng)與原生儀表中的控制開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)數(shù)目一致。繼電器觸電的動(dòng)作受到單片機(jī)的控制。

(9)冷卻報(bào)警控制回路:該部分電路即配套的電力變壓器冷卻報(bào)警控制回路,本方案不涉及對(duì)其改造,僅使繼電器的觸點(diǎn)與之進(jìn)行電氣上的連接,并根據(jù)單片機(jī)的控制過(guò)程在變壓器溫度超過(guò)設(shè)定值的情況下通過(guò)繼電器觸點(diǎn)接通該冷卻報(bào)警回路工作。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì) 按照上節(jié)系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)要求,具體開(kāi)展硬件電路設(shè)計(jì),電路原理圖如下圖所示:

圖3 硬件電路原理圖

在硬件電路原理圖中,對(duì)于按鍵的處理采用中斷識(shí)別機(jī)制進(jìn)行,四個(gè)獨(dú)立按鍵K1、K2、K3、K4均通過(guò)上拉電阻連接至+5 V電源,當(dāng)按鍵未按下時(shí),對(duì)應(yīng)引腳為高電平,按下按鍵引腳強(qiáng)制對(duì)地短路變?yōu)榈碗娖?由此在引腳上產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)并觸發(fā)中斷,單片機(jī)在按鍵中斷子程序中對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和處理而不是通過(guò)循環(huán)掃描方式,因此大大提高了單片機(jī)的處理效率,保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在復(fù)位電路中本設(shè)計(jì)結(jié)合了單片機(jī)上電復(fù)位與人工強(qiáng)制復(fù)位方式,利用后者可以在單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下重新恢復(fù)正常執(zhí)行。時(shí)鐘電路采用外接晶振設(shè)計(jì),使系統(tǒng)在啟用內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行周期性溫度信號(hào)采集過(guò)程中具有穩(wěn)定的時(shí)鐘基準(zhǔn)。

繼電器組設(shè)置了四個(gè)獨(dú)立繼電器,分別對(duì)應(yīng)溫度指示控制器儀表的原生四組控制開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的控制。四個(gè)繼電器的觸點(diǎn)均連接至電力變壓器的冷卻報(bào)警控制回路。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)上由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成,主程序完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)部功能部件的初始化和溫度比較以及繼電器的驅(qū)動(dòng)功能,設(shè)定按鍵為下降沿觸發(fā)中斷,定時(shí)器工作在16位初始值自動(dòng)重載方式并結(jié)合定時(shí)中斷進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理,避免了每次定時(shí)中斷后都需要重新設(shè)定初值的弊端。

根據(jù)控制原理,本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)讀取電流變送器輸入的0-5V電壓信號(hào),并通過(guò)內(nèi)部ADC單元獲得對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值信號(hào),在主程序中通過(guò)循環(huán)方式不間斷對(duì)此當(dāng)前溫度數(shù)值信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較,一旦當(dāng)前值達(dá)到或超過(guò)設(shè)定值,驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)組的繼電器線圈通電,其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接通變壓器冷卻報(bào)警控制回路動(dòng)作。反之,若當(dāng)前溫度低于設(shè)定值,則斷開(kāi)對(duì)應(yīng)觸點(diǎn),切斷控制回路。單片機(jī)通過(guò)按鍵中斷子程序?qū)λ膫€(gè)按鍵的動(dòng)作進(jìn)行處理,分別完成控制開(kāi)關(guān)組別的選擇、變壓器量程上下限的選擇、設(shè)定值加1和設(shè)定值減1操作。

定時(shí)器子程序也采用中斷方式進(jìn)行處理,主程序首先完成定時(shí)器的初始化,設(shè)定其具體工作方式,最后啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始工作。定時(shí)器按固定周期啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換,將指定的模擬量輸入通道的0-5V直流電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)字量,本設(shè)計(jì)中我們采用了8位量化方式進(jìn)行處理,其電壓分辨率P為5V/256即0.0195V,以BWY-804J(TH)型儀表量程0-150攝氏度為例,其對(duì)應(yīng)溫度分辨率為150度/256即0.58攝氏度,完全可以滿足控制要求。在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理過(guò)程中,為了保證采樣結(jié)果的可信度,我們采用了平均值濾波方式對(duì)多次采樣結(jié)果進(jìn)行處理,有效避免意外干擾引發(fā)的數(shù)值波動(dòng)。

對(duì)于繼電器的控制,考慮到其動(dòng)作需要較大的驅(qū)動(dòng)電流,單片機(jī)的所有引腳在上電復(fù)位完成后默認(rèn)為準(zhǔn)雙向端口模式,該模式下單片機(jī)引腳驅(qū)動(dòng)能力有限,所以在程序中將四個(gè)繼電器的控制引腳專門設(shè)置為推挽輸出方式以保證繼電器的可靠動(dòng)作。

當(dāng)有按鍵按下時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)子程序,首先需要關(guān)中斷,以使在中斷處理過(guò)程中不會(huì)再受到其他中斷影響。中斷程序根據(jù)中斷標(biāo)志位的結(jié)果判別是哪個(gè)按鍵按下,然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理,并將結(jié)果寫入到單片機(jī)內(nèi)部只讀存儲(chǔ)單元EEPROM保存,并進(jìn)一步供主程序進(jìn)行讀取和后續(xù)處理。在中斷返回之前需要重新開(kāi)放中斷,以使下一次按鍵按下的動(dòng)作能得到實(shí)時(shí)處理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于單片機(jī)的變壓器油面溫度測(cè)溫控制系統(tǒng),在原電力變壓器溫度指示控制器基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟硬件改造,結(jié)合了數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)油溫進(jìn)行在線檢測(cè),只有當(dāng)計(jì)算機(jī)獲取的實(shí)測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定值狀態(tài)且同時(shí)原生溫度計(jì)接點(diǎn)導(dǎo)通下才使對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)接通控制回路動(dòng)作,根本上克服了原始儀表不能對(duì)因人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤觸發(fā)的缺陷。