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為了促進和規范安相關的控制和保護系統的設計、制造和應用,國外直致力于制定相關的標準。歐洲國家處于先地位,早的安相關系統的標準于20世紀70年代誕生在德國,是有關鍋爐/燃燒器啟停控制的。此后,隨著儀表控制技術和控制系統可靠性技術的發展,為適應各種工業部門對安相關系統性能要求的不斷提,有關安相關系統的標準也不斷和完善,目前國際常見的標準有:

a)IEC61508 Functional safety of elect rical/elect ronic/programmable elect ronic safety-related systems;

b)IEC61511 Functional safety:Safety in-strumented systems for t he process indust ry sector;

c)ANSI/ISA-84.01 Application of safety instrumented systems for t he process indust ries;

d)DIN V 19250 Programmable safety system;

e)NFPA 285 Boiler and bustion systems hazards code(2001)。

其中,ANSI/已經被美國OSHA(Occupational safety and health administration——職業安和健康管理局)接受,廣泛應用于北美。IEC61508已于2002年8月份正式成為歐洲標準。中國是IEC的重要成員,國工業過程測量和控制標準委員會也在研究是否將IEC61508作為中國的國家標準。

2安儀表系統的安度等

安度等是用于描述安儀表系統安綜合評價的等,指在規定的條件下、規定的時間內,安系統成功實現所要求的安功能的概率。安

儀表系統的安度等越,安系統實現所要求的安功能失敗的可能性就越低。IEC61508標準根據安系統滿足安要求的程度將安系統分為4個等:SIL1～SIL4,SIL1低,SIL4。隨著電子技術的發展，電動機保護器正向基于現場總線的智能型方向發展。我公司設計的ARD3電動機保護器立足于*水平，是具有智能保護和可通信功能的電動機保護器。產品系列電流范圍齊，產品系列額定電流范圍1.6～800A；可測量的電流范圍寬，可以達到10倍電機額定電流；采用*進的軟件算法和可靠的硬件設計，對電動機的過載、斷相、三相不平衡、堵轉、阻塞、過壓、欠壓等故障進行有效判斷和可靠保護，過載保護采用計算分析當前電動機的熱容量的方法，根據熱容情況判斷電動機的過載狀態，此種方法可以發揮電動機的過載能力；配有可編程開關量輸入、繼電器輸出，用于實現遠程主站對電動機運行狀態的遙信監視和直接起動、自耦降壓、星-三角等起動方式；帶有標準RS-485接口ModBus通訊協議實現計算機聯網。

1硬件設計

ARD3電動機保護器用H8/3687FP單片機實現電動機的保護功能。在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構成，下面分別對其中的關鍵部分作簡要介紹：

1.1信號采集單元

ARD3電動機保護器采用交流采樣算法計算被測信號。采樣方式是按定周期（稱為采樣周期）連續實時采樣被測信號個完整的波形（對于正弦波只需采樣半個周期即可），然后將采樣得到的離散信號進行真有效值運算，從而得到被測信號的真有效值，這樣就避免了被測信號波形畸變對采樣值的影響。

信號采集單元的功能取樣、整流、放互感器二次測的輸出信號，將這些信號轉換為單片機可處理的信號。ARD3電動機保護器中處理三相電流信號、剩余電流信號、電壓信號的信號采集放電路原理都相同，現以路電流信號采集放電路為例說明電路工作原理。

信號采集放電路如圖1所示。在圖中二管A1、A7是雙向二管，對后電路起到過壓保護作用。當輸入的信號在正常范圍內，A1、A7不起作用，當輸入信號超出正常范圍（或有脈沖干擾信號出現）時，A1、A7導通，防止超出后電路口范圍的信號進入后電路，破壞后A/D電路。CR1為取樣電阻，將從CT1輸出的電流信號轉變為電壓信號。LM324和CR4，CR7，CR10，CR13組成同相放電路將電壓信號放后輸入A/D轉換電路。

LM324采用雙電源供電，這樣可以保證LM324輸出電壓達到5V充分利用A/D轉換提顯示精度。通過運放將輸入信號進行分檔處理，小信號從P1.0輸出信號從P1.1輸出。這樣處理是因為：電動機保護器要處理的電流范圍很寬（要從電動機1倍額定電流到10倍額定電流），分檔處理可以提測量精度。

1.2 I/O單元

開關量輸入處理電路如圖2所示。電路開關量由IN1～IN7輸入，通過光藕后產生IS1～IS7，并行信號IS1～IS7輸入到74HC165，通過74HC165將并行信號轉換為串行信號傳送給CPU。電阻R11～R18起到限流作用保護光耦中的二管不被損壞。RS1～RS8是拉電阻與電容CS～CS8配合使用既可以穩定光耦輸出電平又可以在電時對光耦起到保護作用。

繼電器控制電路如圖3所示。JDQ1～JDQ4與CPU連接，三管QJ11～QJ14的供電電壓是+5V，三管QJ1～QJ4的供電電壓是+24V。現以QJ11，QJ1這路控制電路來說明電路工作原理，當CPU輸出電平時三管QJ11不導通，OUT11不會輸出電流光藕不會導通，JT1也輸出電平，QJ1不會導通繼電器不會動作。當CPU輸出低電平時三管QJ11導通，OUT1輸出電平使光耦導通，JT1變為低電平，三管QJ1導通OUT1輸出低電平使繼電器發生動作。圖3中二管DJ1～DJ4作為繼電器續流二管。

控制輸出部分可采用機電式繼電器或固體繼電器。前者價格便宜，市場產品豐富，驅動線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點動作時會產生“火花"，嚴重時可影響系統的正常工作。因此，在PCB板布局時應將繼電器盡量遠離單片機并靠近儀表的輸出口。另外，在繼電器線圈兩應并聯續流二管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會產生較的感應電壓，從而破壞電路。固態繼電器具有壽命長、性能穩定，無火花等特點，本產品中考慮到產品的可靠性要求采用固態繼電器。

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1.3通訊單元

通訊電路如圖4所示。通訊電路實現將CPU串口輸出電平轉換到RS485電平。本電路的巧妙之處在于數據收發直接由硬件來控制，不用CPU參與控制，這樣可以節省CPU資源簡化程序設計。

1.4 CPU單元

CPU單元是電機保護器的核心單元。信號采集，各種報警處理，通信功能，顯示功能……都是由它來完成的。本產品采用的CPU芯片是瑞薩公司的H8/3687芯片，該芯片功能如下：62條基本指令；RTC（片實時時鐘，可作為自由運算計數器使用），SCI（異步或者時鐘同步串行通信接口）2路，1路IIC接口，8路10位A/D，８位定時器２個（Timer B1,TimerV），16位定時器１個（TimerZ），看門狗定時器，14位PWM，45個I/O引腳（H8/3687N有43個I/O引腳），包括8個可直接驅動LED的電流引腳（IOL=20mA,@VOL=），片復位電源POR電路，片低電壓檢測電路（LVD）。該芯片有兩種封裝形式：LQFP-64（10mm×10mm）FP-64(14mm×14mm)。CPU單元電路如圖5所示。

因為A/D功能，IIC功能，RTC，定時器，看門狗等功能都已經集成到芯片內部，所以CPU單元的外圍電路十分簡潔，各引腳只需外接增加口驅動能力的拉電阻和穩定信號的濾波電容即可。

2軟件設計

系統軟件要完成三相電流、1路剩余電流、三路電壓A/D，各種保護量計算，保護功能判斷處理，顯示電壓、電流，故障記錄，按鍵處理，通訊，變送等功能。只有合理安排程序流程來完成這些功能，保護器才能可靠工作，。程序流程圖如圖6所示：

3抗干擾措施

電動機保護器作為保護電動機裝置要具有很強的抗干擾性。在本產品軟硬件設計過程中采取如下措施提產品的抗干擾性：1硬件方面：電源部分加EMC濾波器，頻變壓器次與初加壓電容，輸出部分加濾波電路；信號采集部分增加濾波電路；在作信號處理的各芯片輸入口處加口保護電路；在各芯片電源輸入處加去藕電容；繼電器兩并聯續流二管，加光耦與CPU口隔離；不使用的CPU口定義為輸出狀態；PCB板布局時模擬部分與數字部分作分區處理，模擬信號在模擬區域內布線，數字信號數字區域內布線，二者不進入彼此區域內；布線時盡量加粗電源線與地線，信號線走線時走145o線，不走直角線；使用CPU內部看門狗監控程序運行。2軟件方面：各路信號采集都使用軟件濾波，增加采樣值的準確性。通過采取系列的措施，產品的抗干擾性能幅提，本產品次性順利通過3C安認證型式試驗。

4結論

ARD3電動機保護器采用*進的設計方案，集測量、保護、控制、通訊于身，產品性能安可靠，可以對電動機實施可靠有效的保護。ARD3電動機保護器在實際使用中完可以替熱繼電器、溫度繼電器等傳統的電動機保護產品，替代各種指針式電量表、信號燈、電量變送器等常規元件，簡化電動機控制電路，減少柜內電纜連接及現場施工量。機械的危害有運動部件的危害、靜止的危害和其他危害。