基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計與應(yīng)用
基于STM32F10鏈?zhǔn)捷斔蜋C3R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計與應(yīng)用
景沈鐵礦石破碎機石料破碎機鋒1小型振動電機 姚沖擊式破碎機 波刮板輸送2 制砂破碎機湯建軍反擊破碎機2
（1中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司 陜立軸式破碎機西西安 710054）
（2上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉反擊錘式破碎機定 201801）
摘 要：數(shù)字式量度繼電器具有測量精確、設(shè)定簡單、保護功能多、速度快等優(yōu)點，是傳統(tǒng)的電磁、靜態(tài)繼電器理想的替代產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了過濾篩分機基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器的總體設(shè)計方案。該產(chǎn)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(tài)下不會產(chǎn)生損壞，提高可靠性，減少損失。
關(guān)鍵字：數(shù)字式、伸縮式皮帶機量度繼電器、保護
Design and Application of回轉(zhuǎn)篩 Digital Measurement Relay Based STM32F103R8T6
Jin電磁電機振動給料機g Shenfeng自動切管落料機1 &td75型膠帶輸送機nbsp; Yao bo 2 Tang Jianjun2
(XianEngineeringDesignCo.Ltd,Chinacoal, Xian Shanxi 710054)
(Shanghai Acrel Co.，Ltd., Jiading Shanghai 201801)
Abstract: The digital measurement relay which has many merit, such as exactitude measurement setting simple, many protect function, speed quick and soShielding="" src="http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/18/1357575i.jpg">
圖1 硬件電路框圖
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(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時鐘頻率最高可達72MHz，內(nèi)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(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關(guān)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(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)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(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號經(jīng)放大電路放大后進行A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實際需要進行設(shè)置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅(qū)動電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)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(guī)約，能實現(xiàn)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(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，繼電器便會產(chǎn)生動作，發(fā)出報警或脫扣信號。
圖4 繼電器輸出原理圖
2 軟件設(shè)計
由于本量度繼電器采用數(shù)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(xiàn)，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(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護），不像靜態(tài)繼電器那樣，不同的保護功能需要不同的模擬電路來實現(xiàn)，導(dǎo)致單個靜態(tài)繼電器往往只有一種保護功能。
2.1 程序設(shè)計
本繼電器的軟件設(shè)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(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來進行對比，來確定是否有故障出現(xiàn)，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(yuǎn)傳給后臺控制系統(tǒng)。
由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)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(chǎn)品設(shè)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(chǎn)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(nèi)部自帶的12位AD，為實現(xiàn)高精度的測量，需要在采樣上使用過采樣的技術(shù)。根據(jù)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(shù)，fs是初始采樣頻率要求，fos是過采樣頻率。根據(jù)此公式，在采樣時將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數(shù)提高4位，達到了16位的分辨率。采用此方法后，本產(chǎn)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(dǎo)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(fā)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(jié)果見表1。
表1
DK輸出值 ASJ顯示值 0.100A 0.099A 1.000A 0.999A 5.000A 4.999A 10.000A 9.999A 由GB/T22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測量儀表》第1部分：定義和通用要求中5.2 基本誤差的計算方法，結(jié)合表1測量數(shù)據(jù)可得，精度等級能夠滿足0.5級。
計算公式如下：
儀表的基本誤差不應(yīng)超過公式（1）表示的測量值的絕對誤差△。
式中： Ux－被測量的讀數(shù)值；
Um－被測量的滿度值；
a－與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù)；
b－與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù)；
公式（1）中應(yīng)滿足如下關(guān)系：a≥4b
3.2 動作誤差測試（電流型）
繼電器的動作誤差是一項重要的指標(biāo)，因此，需要使用專用的繼保測試儀來對ASJ的動作時間誤差進行測試。
這里使用“ZS-740微機繼電保護校驗儀”來測試ASJ的動作誤差時間，測試結(jié)果見表2。
表2
功能 設(shè)定值 是否準(zhǔn)確動作 動作時間ms 域值 延時時間s 起動超時 ---- 2.0 √ 2036 欠載報警 70％ 2.0 √ 2041 欠載脫扣 50％ 5.0 √ 5049 阻塞報警 200％ 1.0 √ 1043 阻塞脫扣 250％ 3.0 √ 3037 不平衡報警 20％ 10.0 √ 10033 不平衡脫扣 30％ 5.0 √ 5042 斷相報警 ---- 0.5 √ 545 斷相脫扣 ---- 15.0 √ 15036 速斷 ---- ---- √ 47 其中各項功能的延時時間是可任意設(shè)定的，報警和脫扣是2個獨立的繼電器輸出。由上圖可以看出，動作時間的誤差都在±50ms以內(nèi)。4 產(chǎn)品特點
ASJ系列數(shù)字式量度繼電器在結(jié)構(gòu)上采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝式和96mm×48mm外型嵌入安裝式兩種方式。該為數(shù)字式繼電器，實時采樣三相交流電量、采用真有效值的計算方法，在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了較高精度的測量。集成有多種保護功能，僅需簡單選擇即可實現(xiàn)保護的投入或退出、報警或跳閘；精度高、功耗小、動作快、返回系數(shù)高、無抖動。 本產(chǎn)品集低壓電測儀表功能和量度繼電器功能于一體，是傳統(tǒng)的靜態(tài)繼電器的理想替代方案。產(chǎn)品符合GB/T 14598量度繼電器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 22264安裝式數(shù)字顯示電測量儀表中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
按功能可分為電流、電壓、頻率等多種類型，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。
表3
類型 型號 主要功能 通用指標(biāo) 電流 ASJ10-AI3/C 欠載、阻塞（定時限）、不平衡、斷相、過載（反時限）、速斷 污染等級2級防護等級IP54
安裝類別III級 電壓 ASJ10-AV3/C 過壓、欠壓、不平衡 頻率 ASJ10-F/C 過頻、欠頻
5 應(yīng)用案例
ASJ系列量度繼電器因其具有很寬的頻率測量范圍(20Hz～70Hz內(nèi)都能準(zhǔn)確測量)，較高的測量精度及多種保護功能集于一體的特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場合。
圖8為本產(chǎn)品應(yīng)用于某柴油發(fā)電機上用于對柴油發(fā)電機的欠、過壓進行保護的圖。由于柴油發(fā)電機的輸出電壓與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此要求測量柴油發(fā)電機輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測量范圍，在本應(yīng)用案例中，柴油發(fā)電機的欠壓點為230VAC（對應(yīng)23Hz），額定460VAC（對應(yīng)50Hz），過壓點530VAC（對應(yīng)55Hz），而采用的ASJ10-AV3電壓型量度繼電器的測量頻率范圍為20Hz～70Hz，在此頻率范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確測量出電壓值，完全能夠滿足此場合的使用要求。其工作流程為：ASJ10-AV3測量柴油發(fā)電機組的輸出電壓，并將此電壓與預(yù)先設(shè)定的欠壓、過壓值進行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作，發(fā)出告警信號或直接停掉柴油發(fā)電機，從而起到保護柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行的作用。
圖8 電壓型應(yīng)用圖
圖9為本產(chǎn)品應(yīng)用于電動機上用于對電動機運行過程中出現(xiàn)的各種故障進行保護的圖。在電動機運行中，常出現(xiàn)的故障主要有過載和斷相，而對過載的保護又分為定時限、反時限、速斷等多種。在本應(yīng)用案例中，ASJ10-AI3能夠提供欠載、過載（定時限、反時限、速斷）、不平衡、斷相等多種保護功能。其工作流程為：ASJ10-AI3測量電動機供電電路中的電流值，并將此電流值與預(yù)先設(shè)定的值進行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進入故障延時，延時時間到但故障狀態(tài)未解除則報警或脫扣繼電器動作，發(fā)出告警信號或斷開接觸器KM使電動機停止運行，從而起到保護電動機的作用。
圖9 電流型應(yīng)用圖
6 結(jié)語
ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用先進的設(shè)計方案，能夠針對不同的使用場合提供多種保護方式，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，是靜態(tài)模擬繼電器的理想替代產(chǎn)品。
文章來源于：《現(xiàn)代建筑電氣》2010年11期。
參考文獻
[1] 上海安科瑞電氣有限公司，ASJ系列量度繼電器選型手冊，2009。
[2] 中國電力出版社，電工與電子技術(shù)，1999。
[3] 任志程，周中，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國電力出版社，2007
作者簡介
姓名：姚波
性別：男
出生年月：81年3月
技術(shù)職務(wù)：助理工程師
工作單位：上海安科瑞電氣股份有限公司
研究方向：低壓電測儀表
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