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      化工設備技術文獻:基于STM32F103R8T6的數字式量度繼電器設計與應用


      發布時間:2015/12/2 16:00:51

      摘 要:數字式量度繼電器具有測量精確、設定簡單、保護功能多、速度快等優點,是傳統的電磁、靜態繼電器理想的替代產品。本文詳細介紹了基于STM32F103R8T6的數字式量度繼電器的總體設計方案。該產品能針對不同的對象在實際使用中遇到的多種故障進行保護,使被保護的對象在故障狀態下不會產生損壞,提高可靠性,減少損失。
      關鍵字:數字式、量度繼電器、保護
      1.1 主控CPU
        本量度繼電器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架構內核的32位處理器STM32F103R8T6,時鐘頻率最高可達72MHz,內置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個16位定時器、3路USART通訊口等多種資源,具有極高的性價比。
      1.2 電源
        電源是一臺設備能否正常、穩定、可靠工作的關鍵部分,該繼電器采用本公司常用的通用開關電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V~265V,輸入頻率45Hz~60Hz,具有多路隔離電壓輸出,滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩定、故障率小,輸出紋波 <1%。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用,具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力。
      1.3 信號采集電路
        信號采集電路采用互感器隔離輸入,將電流、電壓等電量信號進行隔離,提高系統的安全性和可靠性。采樣信號經放大電路放大后進行A/D轉換。圖2。

      圖2 信號采集電路
      1.4 人機交互單元
        人機交互單元采用LED顯示和按鍵輸入,系統采用單排四位LED數碼管顯示各種信息。用戶可根據實際需要進行設置。在編程狀態下顯示菜單及參數。數碼管顯示采用動態掃描方式,其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。
      1.5 RS485通訊接口
        通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規約,能實現遙測、遙控、遙信等功能,見圖3。

      圖3 通訊電路原理圖
      1.6 繼電器輸出接口
        繼電器輸出接口(圖4)是動作的執行機構,當出現故障時,繼電器便會產生動作,發出報警或脫扣信號。

      圖4 繼電器輸出原理圖
      2  軟件設計
        由于本量度繼電器采用數字電路,核心元件采用的是32位單片機,運算速度快(時鐘頻率72MHz),保護算法都由軟件實現,因此,由同一電參量引申而出的保護功能可集成于一體(如測量三相電流可實現過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護),不像靜態繼電器那樣,不同的保護功能需要不同的模擬電路來實現,導致單個靜態繼電器往往只有一種保護功能。
      2.1 程序設計
        本繼電器的軟件設計主要包括計算、保護、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計算子程序主要用于進行信號的采集和運算,實時測量保護對象的電參量;保護子程序主要集成有各種保護算法,將測量得到的各種參數與預先設定的值來進行對比,來確定是否有故障出現,及時進行保護;顯示、按鍵子程序用于人機交互;通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠傳給后臺控制系統。
        由于程序內容較多,現給出主程序流程(圖5)和保護子程序流程圖(圖6)。

      圖5 主程序流程圖

      圖6 保護子程序流程圖
      2.2 過采樣
        在本產品設計時,便定位于既可作為保護繼電器使用,又可作為低壓電測儀表使用,因此要求本產品的測量精度要高,但出于成本上的考慮,采用主控芯片STM32F103R8T6內部自帶的12位AD,為實現高精度的測量,需要在采樣上使用過采樣的技術。根據奈奎斯特定理可得,每增加一位分辨率,信號必須被以4倍的速率過采樣:fos=4w×fs 。其中,w是希望增加的分辨率位數,fs是初始采樣頻率要求,fos是過采樣頻率。根據此公式,在采樣時將采樣頻率提高256倍,即將分辨率位數提高4位,達到了16位的分辨率。采用此方法后,本產品的測量精度達到0.5級,完全可以滿足作為測量型儀表的要求。由于CPU的速度很快,因此不會因為采用過采樣后,采樣點和運算量的增加而導致保護速度不夠。
      3  性能測試
      3.1 測量精度的測試(電流型)

      圖7
        試驗裝置由圖7所示,信號發生源采用深圳科陸公司的RTU檢定裝置CL301V2-R,精度等級0.05。由CL301V2-R輸出三相交流電流來測試ASJ的測量精度,測試結果見表1。
      表1
      DK輸出值

       

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