摘 要：介紹了國、內外電動機保護器的發展現狀和趨勢, 敘述了網絡化智能電動機保護器的體系結構、各個功能模塊的實現原理, 以及相應的基于嵌入式系統的軟、硬件設計。

　　關鍵詞:電機保護;現場總線 ;嵌入式系統

　　0 引言

　　隨著社會的發展和科技的進步 ,生產過程的自動化程度越來越高, 在生產中作為動力設備的電動機數量也越來越多, 如果電動機發生故障甚至燒毀, 會波及整個生產系統, 造成較大的損失。因此, 對電動機實行保護是保證生產系統正常工作的一項重要任務。由于現代工業生產的信息化、自動化程度要求越來越高 ,對電動機保護提出了越來越苛刻的要求。電動機保護器已從簡單的熱繼電器、溫度繼電器、電子式保護裝置的保護方式, 向智能化、網絡化電動機保護器的方向發展。國內目前大多數電動機保護器沒有通信功能，產品中有通信功能的也只是用簡單的RS-485實現，應用層的協議沒有統一的規范，不能滿足現場設備所要求的一致性和互換性。基于現場總線的電機保護器還處于起步階段, 國外公司如美國羅克韋爾自動化公司已開發出 Devi-ceNet可通信智能固態過載繼電器。現場總線是工業自動化領域的發展熱點, 它的出現勢必會給傳統的電動機保護器帶來革命性的變化。能接入現場總線并實現網絡化的智能電動機保護器接線簡單, 其增強的故障診斷和監控功能 ,以及遠程設置和管理功能是今后電動機保護器的發展方向。在眾多的現場總線通信協議中，DeviceNet作為符合IEC標準的底層設備現場總線技術，已于2002年10月成為中國國家標準。DeviceNet現場總線具有開放、低價等特點，特別適用于工業現場設備的互連。本文基于 DeviceNet現場總線技術闡述具有網絡化功能的智能電動機保護器技術。

　　1　 網絡化智能電機保護器體系結構

　　網絡化智能電機保護器主要完成對各種電機運行參數的檢測、電機控制，以及通過網絡將參數上傳或下達 ,以便于上位機實時監控。保護器主要由保護功能模塊和通信功能模塊組成。保護功能模塊對電機過壓、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種故障進行檢測 ,并發出相應的控制輸出指令 ,從而實現電機保護。由于電動機保護器工作在工業網絡體系結構的設備層 , 通信功能基于DeviceNet現場總線實現。

　　保護器若采用單CPU方案可以使保護功能與通信功能集中于單一的軟件控制系統上。PCB板空間更小 ,可靠性更高, 但其對微控制器的運算速度和各種資源 (程序存貯器、數據存貯器 、CAN控制器等)有較高要求 ,需要高性能的微控制器。若采用雙 CPU方案, 可以讓保護功能和通信功能分別由兩個不同的微控制器完成，減小單個微控制器的負擔，兩個 CPU可以通過 DMA、串口 、雙口 RAM等方式完成數據交換 。對微控制器的要求不高，可以使用一般處理器完成 。采用這種方案更重要的是有利于現有的無通信功能的智能保護器升級,在對現有設備通過少量改進后就能作為網絡的一個節點接入現場總線控制系統, 以少量代價獲得現場總線應用水平的大幅提高 。

　　本設計選用雙 CPU方案, 用戶處理器完成物理信號的輸入、輸出和檢測轉換 ,按預定的規律算法進行計算 、控制、處理， 實現保護功能 , Devi-ceNet處理器通過DeviceNet現場總線與上位機進行雙向通信 ,完成信息交換和簡單的邏輯控制 。

　　1.1保護功能

　　電動機的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括:過載 、堵轉和三相短路等 ;不對稱故障包括 :斷相 、逆相、相間短路、匝間短路等 ,其特征是電機電流出現負序電流和零序電流。

　　1.1.1熱過載保護

　　電機發熱和散熱過程較復雜 , 它與固定損耗(鐵損和機械損耗 )及可變損耗 (轉子和定子銅耗 )等多種因素有關 。假定電機是一個均質物體 ,可以計算平均溫升 ,并用其估算溫升。根據對電機發熱過程的分析, 其熱態平衡微分方程為

　　Qdt=Aτdt+Cdτ (1)

　　式中: Q———電動機單位時間產生的熱量;

　　A———散熱系數(表示溫升為 1℃時, 每秒鐘的散熱量);

　　τ———溫升 ;

　　t———時間 ;

　　Aτ———電動機單位時間內散熱量 ;

　　C———電動機熱容量 。

　　由式(1)解得，在初始條件為:t=0,τ=τF0時 ,電機某一時刻的溫升由式(2)決定 :

　　τ=τL +(τF0 -τL )e-t/T θ(2)

　　式中: Tθ ———發熱時間常數, 表征熱慣性的大小,

　　Tθ =C/A;

　　τL ———穩態溫升 ,

　　τL =Q/A;

　　τF0  ———起始溫升 。

　　式 (2)表明, 熱過渡過程中包括兩個分量, 一個是強制分量 τL , 它是過渡過程結束時的穩態值 ;另一個是自由分量 (τF0  -τ L )e-t/Tθ , 它按指數規律衰減至零。

　　由此可知,在電機發熱保護中應解決的問題有 :熱累積采用模擬電機發熱曲線的方法 ,針對不同的脫扣級別采用不同的發熱曲線 ;散熱過程采用模擬指數函數曲線衰減方式, 可較為真實地反映散熱過程 ,也可根據經驗公式對上述指數曲線進行簡化處理以便于實現發熱保護 。

　　1.1.2接地故障保護

　　電動機接地故障主要是過電壓所造成的絕緣受損, 主要表現為相線與電氣裝置的外露導電部分 (包括電氣設備金屬外殼 、敷線管槽及構架等 )、外部導電部分 (包括金屬的水 、暖、煤氣 、空調管道和建筑的金屬結構等 )及大地之間的短路 。這種故障與相線和中性線間的單相短路故障不同, 與相線之間產生的相間短路也不同。接地故障與一般短路相比 ,具有更大的危險性和復雜性 ,因為這類故障可能引發火災并對人身安全構成威脅 。接地保護與漏電保護不同。一般來說,接地電流比漏電電流更大,前者可以通過對保護器內部互感器所測得的三相電流進行矢量和計算求得, 也可以采用漏電電流互感器 (零序互感器 )直接檢測。對于較小的電流, 由于采用零序互感器更為準確和可靠 ,故漏電保護信號必須取自零序互感器。

　　1.1.3堵轉保護

　　異步電動機剛開始起動時 , 由于種種原因(機械故障、負荷過大、電壓過低等)轉子不能正常起動 ,使轉子始終處于靜止狀態(s=1.0, s為轉差率),這就是通常意義下的堵轉。異步電動機在起動過程中除 s=1.0為堵轉外, 由于某種原因使電動機運行在轉速很低的狀態下 ,達不到設計的額定轉速 ,也是一種堵轉狀態 。異步電動機在正常運行中 ,由于機械故障將轉子卡住或者負荷急劇增加、電壓突然失去等原因也可能使轉子轉速迅速下降 ,運行在一個很低的轉速下甚至*停下來 ,造成電動機堵轉 (或稱運轉中的堵塞 )。發生堵轉的電動機,電流很大, 散熱條件差造成溫升急劇惡化 ,特別容易燒毀電動機 。保護器的堵轉過流保護特性值應包括 :不動作電流設定值 、動作電流設定值、動作延時時間、誤差范圍。哪些參數可由用戶設定 ,因產品不同而有所差異 。

　　1.1.4斷相及三相不平衡保護

　　斷相故障是一種不對稱故障 , 也是一種比較嚴重的故障 ,因此電動機的斷相保護也非常重要。由于電動機繞組接法有 Y形和 Δ形兩種, 因此對電動機斷相不平衡的判別要根據負序電流及三相電流的不平衡率來綜合判斷 。考慮各種誤差和各種斷相時電流的不平衡率 , 現場應用中以大不平衡率 δ>30%作為斷相及三相不平衡故障的判定依據比較妥當。δ可由 δ=(IH -IL )/IH≥30%得出, 式中:IH 為三相電流大值;IL 為三相電流小值 。

　　1.2通信功能

　　智能電動機保護器一般在總線中只扮演從站的角色 ,通信中只需實現預定義主從模式的組2從站協議 , 即可滿足絕大多數場合的需求。在通信設計中, 一般硬件由微控制器、CAN控制器 、CAN收發器等器件組成 , DeviceNet應用層協議由軟件實現, 這個關鍵是對應用層協議規范的消化和理解 ,是開發的難點和重點。

　　目前,市場上可提供針對組2從設備開發的芯片DN1022, 基于此在了解 DeviceNet協議的基礎上可以迅速完成 DeviceNet從站設計。DN1022具有內置的 CAN口和DeviceNet處理引擎 ,高速串行口、并行口、配置口和開關量輸入 、輸出口, 用戶處理器可通過高速串行口或并行口與DN1022通信, 只需實現一個簡單的通信協議即可 。其內部實現的協議為 DeviceNetGroup2 OnlySlave,其主要技術規格為:支持的 DeviceNetConsumedI/O為 64字節, ProducedI/O為 64字節 ,支持 POLL、COS、CYCLIC三種數據觸發方式、支持 DeviceNet參數對象、內置 CAN控制器。該芯片可以工作在配置狀態和運行狀態 ,工作在串口方式下時 , DN1022提供 8個串口命令讓用戶處理器在配置狀態完成配置, 切換到工作狀態后完成保護器實時數據及配置參數的數據交換 。

　　2基于 DeviceNet現場總線的智能電動機保護器

　　網絡化智能電動機保護器是典型的嵌入式系統 ,其設計遵循嵌入式系統的一般方法。

　　2.1　硬件設計

　　考慮到網絡化智能電動機保護器需對電機過壓 、欠壓、過流、斷相、電流不平衡等多種參數進行保護, 且對實時性有一定要求, 同時其工作在惡劣環 境 下 , 因 此 選 擇 了 美國微星公 司 的dsPIC30F6012作為主控制器 , 它集成了單片機的控制功能及數字信號處理器(DSP)的計算能力和數據吞吐能力, 有 16路 12位高速 AD轉換器和UART,看門狗定時器等, 可以很好地滿足設計要求 ,系統的硬件如圖 1所示 。

　　2.1.1電源部分

　　由于 DeviceNet總線供電, 所以保護器電源取自總線電源 ,根據硬件設計中處理器 、運放 、傳感器等用電情況, 設計出 +12 V、 +5 V等電源模塊 ,且電源有反向保護功能 。

　　2.1.2 DeviceNet通信模塊

　　DN1022內部集成 CAN控制器 ,在 CAN控制器和物理總線之間需要 CAN總線收發接口電路,為了提高抗干擾能力 ,一般需要用高速光耦器件隔離。

　　2.1.3電流檢測

　　利用霍爾器件進行電流、電壓的轉換 ,所選器件及鐵心盡可能地保持線性關系，對其進行去直流分量 、取值處理和限幅處理后 ,送到處理器進行 AD采樣處理。

　　2.2軟件設計

　　對于大中型的嵌入式系統, 由于存在復雜的實時編程、時間受控和事件受控進程設計的問題,為了簡化程序設計的復雜性, 很多系統都采用了實時操作系統 (RTOS)。由于本網絡化智能電動機保護器采用雙 CPU結構 ,在某種程度上簡化了對這些因素的考慮, 軟件設計不采用 RTOS。本軟件設計采用主程序加中斷處理程序的框架, 在設計中盡可能的做到模塊化 , 采用 C語言編程,提高軟件的復用性,方便升級和移植 ,軟件開發工具使用微星公司提供的集成開發環境、C語言編譯器和調試工具 。

　　電流采樣、溫度采樣使用定時器中斷完成 ,保證了每次采樣的時間間隔精度 , 對采樣到的值在主程序中有針對性的進行軟件非線性校正, 對得到的數據使用算法分析, 從而對電動機實行保護控制。與 DeviceNet處理器采用串行口通信,主處理器采用定時器以一定時間間隔向 Devi-ceNet處理器發送命令幀,從而完成向總線發送保護器實時數據和從總線得到配置數據的工作 。在軟件設計中解決了多項保護程序模塊和通信程序模塊的有機結合,優化軟件設計,使整個系統的運行效率得到提高。

　　3 安科瑞智能電動機保護器介紹

　　3.1產品介紹

　　智能電動機保護器(以下簡稱保護器)，采用單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化、網絡化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉、阻塞、外部故障等多種情況進行保護，并設有SOE故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。適用于煤礦、石化、冶煉、電力、以及民用建筑等領域。本保護器具有RS485遠程通訊接口，DC4-20mA模擬量輸出，方便與PLC、PC等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

4-20mA輸入■

　　測溫模塊■

　　液位高度

　　界面顯示LED數碼管顯示√

　　LCD液晶顯示√■■■

　　說明：“√”表示具備，“■”表示可選。

　　4結語

　　在完成開發后, 針對電動機保護器的 Devi-ceNet設備描述,編寫設備的 EDS文件, 方便上位DeviceNet配置軟件對網絡的配置 ,在此基礎上還須通過一致性測試。可通信智能電動機保護器是構成智能化 、可通信電動機控制系統的關鍵元器件之一 ,其適應了自動控制網絡化的要求 ,代表了電動機保護器的發展方向。 DeviceNet現場總線具有開放 、低成本和高可靠性的優點, 是流行的底層設備現場總線, 基于此實現傳統設備的組網具有很大的現實意義 。