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1、基于总线的10KV开关柜智能脱扣装置设计基于总线的10KV开关柜智能脱扣装置设计摘要信息技术的飞速发展，是自动化领域也发生了深刻的技术变革，产生了开放系统互联的通信网络，及现场总线控制网络。现场总线控制系统是新一代控制系统，它代表的是数字化到现场、网络化到现场。控制功能和设备管理到现场的发展方向。现场总线控制技术的应用将大幅度降低控制系统的投资，能显著提高控制质量，明显改善系统的集成性、开放性、分散性和互换性。现场总线控制系统已成为当今世界上自动控制技术的热点。现场总线技术带给智能脱扣的自动化、智能化发展史不可或缺的。采用现场总线技术的智能脱扣装置可以提高安全性，经济性，灵活性，稳定性。本设计

2、中首先对现场总线尤其是CAN总线和RS232总线的原理进行介绍，其次确定了控制系统的设计方案，完成基于CAN总线和RS232总线的控制系统原理图和PCB版图，制作电路板，编写CAN总线和RS232总线的控制程序，最后进行基于RS232总线软硬件联调，完成系统的设计。本系统采用单片机为主控制器，接收传感器的检测信号，进行判断，控制步进电机的启和停，最终设计出反应灵敏、运行可靠、工作稳定的智能脱扣装置。关键词：智能脱扣装置，步进电机，CAN总线，RS232总线Design of 10KV switch cabinet intelligent trip device based on field b

3、usAbstractThe rapid development of information technology, automation field has a profound technological change, the communication network of open system interconnection, and field bus control network. Fieldbus control system is a new generation control system, it is the representative of the digita

4、l, network to the site to site. Control functions and equipment management to the site development direction. Application of fieldbus control technology will greatly reduce the investment control system, can significantly improve the control quality, improve the system integration, openness, dispers

5、ibility and compatibility. The field bus control system has become a hotspot in automatic control technology. Field bus technology to the intelligent automation, intelligent development history of. Intelligent trip device adopts field bus technology can improve the safety, economy, flexibility, stab

6、ility.The design of the first field bus especially the principle of CAN bus and RS232 bus are introduced, then the design scheme of the control system, complete control system principle diagram and PCB layout based on CAN bus and RS232 bus, circuit board manufacturing, control procedures for the pre

7、paration of CAN bus and RS232 bus, finally carries on the software and hardware of RS232 based on the alignment, the complete system design. The system adopts MCU as the main controller, signal detection, receives the sensor to judge, control of the stepper motor start and stop, the final design of

8、intelligent trip device responsive, reliable operation, stable work.Keywords: intelligent tripping device, stepper motor, CAN bus，RS232 bus.1. 绪论1.1 课题背景随着计算机技术、微电子技术和网络通信技术的历史发展，脱扣器经历了由热式、电磁式、电子式，发展到目前具有微控制芯片的智能化脱扣器。目前国内外都在不断完善高压成套开关柜内断路器的类型，作为断路器核心部件一智能型脱扣器在传统的机械装置的基础上，利用微电子技术、计算机控制技术和通信技术等对断路器进行智

9、能化控制，已具有与工控机、PLC等通信的功能，能提供开关状态、二相电流等数据，并能提供电压、功率因数、有功功率等参数，具有精确的选择性保护，可避免不必要的停电，提高供电系统的可靠性、连续性和安全性，现已广泛应用于各类电网中。随着电网改造的深入，国家电网正逐步实现10kv变电站无人值守远程控制，进一步提高电网的可靠性，通过现场总线技术就可以实现断路器分闸故障时的就地分闸而不需要停上一级母线，并且由于是远程操作，也就保证了工作人员的人身安全。所以立足于现场总线技术，设计完成集网络通信、驱动单元、控制单元、在线数字显示于一体的智能脱扣装置是有必要的。1.2 国内外发展情况CAN，全称为“Contro

10、ller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线。CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛的应用。为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现已有400多家公司加入了CiA，CiA已成为全球应用CAN技术的权威。CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息

11、进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至CAN总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。测控系统中离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相连时，必须增加A/D环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算机直接相连，从而简化系统结构

12、，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余;数据通信为命令响应，传输率低;错误处理能力弱。采用CAN总线技术后即可解决上述问题。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据;CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性

13、要求的控制提供了方便;CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。根据国内外资料报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN与TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。现场总线控制系统是发展成熟的全

14、分布式控制系统，适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，具有强大的生命力。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现在总线控制系统采用双绞线、多回路的全数字化信息传输不仅提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力，同时也大大节省了整个系统的投资、安装及后期的维护费用；现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系统进一步向分散化、智能化、网络化方向发展。CAN(控制器局域网)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实 时控制的串行通信网络。CAN总线具有成本低、速度快、实时性和可靠性高的特 点，成为在世界范围内得到广泛使用的现场总线国标

15、标准之一。由于其卓越的性 能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇 自动化、医学设备等各个领域。智能脱扣器不仅囊括了传统脱扣器所有保护功能，而且还能够显示、设定和修改被控电路中参数并扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、上下微机的通信等功能，其性能大大优于传统的常规断路器产品。智能脱扣器要在电网发生故障的情况下快速分断整体电路，又要对电网信号的采集要准确、快速、无误，这样，智能脱扣器的核心微控制单元才能准确分析采集到的信号，正确判断电网是否故障。智能型断路器分为以下几个发展阶段： (1)以低端8位微控制器为核心的智能断路器保护装置。这是智能断路器的最初发展阶段

16、，微控制器多数以8位机为主，最具代表性的就是51单片机。特点是以8位MCU为核心，辅助以一些简单的传感器、监控设备、侍服控制、指示、显示、信息处理及控制功能。这一阶段的8位机占据价格优势，不足之处是外围设计体积大、处理速度慢、保护精度低、片内集成外设少、存储空间小(一般需要外扩);软件上基于裸机硬件编程，前后台循环运行模式，实时响应速度慢，同时大多数处十单机使用状态、无通讯控制功能。(2)以中端微处理器为核心的智能断路器保护装置。处理器性能上有所提高，出现了很多16位微控制器，通讯功能逐渐加入。但是只是初步发展阶段，绝大部分采用RS-232, RS-485通讯方式，其通讯速率、距离、资源共享R

17、S-232适用于1 5米以内的通信。RS-48_5在性能上比RS-232有所提高但还是摆脱不了一主多从的通讯方式。(3)以高性能微处理器为核心的智能断路器高性能多功能保护装置。1、处理器性能:这一时期，中低端微控制器的价格已经不占主要优势，基十32位ARM核的微控制器、DSP等具有较高的性价比，是主流控制核心。其中ARM核是32位的，以飞利浦公司的LPC2100, LPC2200系列不I I二星公司的S3C44BOX为代表。ARM核的低功耗、高性能等突出的优点已在32位嵌入式应用中稳居第一位，ARM战胜8位微处理器的原因主要有:8位微处理器的性能不能满足人们越来越多的需求;32位微处理器越来越

18、成熟，销售量越来越大，从 8位微处理器的价格优势将消失。DSP处理器是对系统结构和指令进行了特殊的设计，使其适合十执行DSP算法，编译效率高，指令执行速度也快，在数字滤波、FFT及谱分析等方面占据优势，比较有代表性的产品Texas Instrument的TM320系列和Motorola的DSP_5600系列。2、通信网络发展:这一时期比较流行的现场级通讯网络是现场总线，现场总线被比喻为“抓制邻域新世兀时代的起点”，是21世纪自动控制系统的主流。用新一代的现场总线抓制系统代替了传统的分散控制系统，实现通讯网络与控制系统的集成，最终形成了一个全数字化、全分散式、全开放、智能、双向、多变量、多主、可

19、互操作和开放式互联的自动化控制系统。现场总线网可采用自定义的现场总线，也可以采用当前流行的几种现场总线，如Modbus, LonWorks, PROFIBUS, CAN-bus等，其中以CAN-bus最为流行，其具有技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的优势。智能化可通信断路器的主要特征是在智能化的基础之上具备现场总线的可通信特点，这一阶段高性能芯片都自带通信控制模块可以很方便的搭建通信网络硬件。国外在脱扣器的电子化和智能化研究和制造方面都走在我国前面，现在大约领先我国5-10年，比较有代表性的产品是ABB公司的F系列，施耐德公司的M系列，西门子公司的3WN6系列、3VF系列和3WL系列(具

20、有内部通信总线CubicBUS，二菱公司的AE系列:我国在这一阶段大力开发第四代智能化、可通信电器产品，逐渐缩小与国外电器产品的差距，具有代表性的有DW4_5, CWI, CMI, MA40, SDWI。以上海电科所为主研制的可通信低压电器产品已形成完整的系列，并已投入批量生产，已具有与国外产品进行竞争的能力，其中DW4_5系列等产品的脱扣器已具有与工控机、PLC等通讯的功能，在国内同类产品中处十领先的地位水平，为开发我国高智能化的网络配电、控制系统及其产业化奠定了技术和物质基础。3、软件开发模式:智能控制器的灵魂是其软件程序设计，软件设计的好坏直接影响到智能控制器的性能和稳定性，采用传统的顺

21、序结构程序设计存在微处理器利用率不高、程序设计复杂、软件修改升级困难等缺点。这一时期软件设计利用平台策略，加载嵌入式操作系统，摒弃了传统的前后太循环的编程思想，让操作系统来管理用户的应用程序，软件设计易十分工与合作，有效地提高系统的资源利用率，提高系统的实时性和可靠性，这是测控软件系统的一大革新与进步。4、装置的多功能化及产品化:影响电力质量的主要是电力网络上的电气干扰(电压跌落和剧增、电压的谐波分析、电压波动、过电压、二相不平衡等)。为了供电网络的安全、可靠与供电连续性，对电力质量必须进行有效的监控。在低压智能化电力管理系统中，引入电力质量监控器或让低压智能化断路器兼有电力质量监控功能，是当

22、前智能化电器的一个发展方向。得益十这一阶段微控制器的位宽大、速度快，从而完全可以在一台低压断路器智能保护装置中实现多种不同的保护与控制功能，在原有电流保护和电压保护的基础之上，将电能质量监测功能集成到其中，延伸了断路器智能化的内涵，大大提高了断路器的智能化水平。这是一种经济有效方案，由十智能断路器分布十低压网络的各个供电端，通过与中央计算机通信可以获得配电网各端点的电能质量信息，记录并显示电网的波动情况。例如施耐德电气公司新世纪推出的新型Masterpact MT型框架断路器，它不仅可以测量二相电流、电压、功率、功率因数等参数，并目_能捕获电力质量事件和波形，可以进行第_51次以下的谐波分析。

23、再如口本二菱公司21世纪推出的额定电流为31 -800A的PSS塑壳式断路器具有一个MDU数字检测显示模块，它能检测并显示负载电流、线电压、功率用电量、功率因数，并能检测3次、_5次和7次谐波以便可以进行电力质量监控。将智能脱扣器做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不仅限于某种断路器，脱扣器的检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路器整个设备装配完成后才能进行，脱扣器产品化以后，其测试可以独立于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。当前，国内外智能脱扣器普遍采用了功能集成块或微处理器，采取“以软代硬”的措施，充分发挥了计算机快速运算的长处，

24、使得原有的方案进一步得到了优化，实现更全面的功能。1.3 课题研究目的及主要工作通过对现场总线技术和现代智能脱扣的了解，结合当前电网改造的大趋势，可以看出设计一种结合现场总线的智能脱扣装置是有必要的。而现在10KV开关柜的脱扣器多数都是机械式的，不具备有智能脱扣装置的置换基础。为了适应自动化智能化的发展需要并结合设备的现实情况，本文设计了一种基于RS232现场总线利用步进电机实现的智能脱扣装置，主要工作包括：1.查阅相关文献资料，了解RS232总线的工作原理。2.确定RS232总线控制器的设计方案。3.利用电路设计软件，设计完成控制系统电路图。4.修改完善系统电路图，并印制PCB版图。5.根据

25、控制要求，编写相应软件程序。6.进行软硬件联调，完成样机设计。2. 智能脱扣系统概述PCRS232总线L298N控制器单片机CAN总线步进电机脱扣开关齿轮齿条图2.1 系统原理框图基于总线的10KV开关柜智能脱扣，系统图如图2.1所示。脱扣命令由PC机发出，经由CAN总线或RS232总线传达至单片机，单片机再把控制信号传达至电机控制器L298N，电机控制器控制步进电机完成正传，步进电机带动齿轮齿条位移，触发脱扣装置开关，完成智能脱扣器动作过程。本系统是以单片机为核心控制器，CAN总线或RS232总线为传递媒介，通过步进电机和齿轮齿条实现对脱扣开关的机械控制。下文将对两种总线，单片机，电机控制器

26、，步进电机以及齿轮齿条传动装置进行详细介绍。3. 核心控制器单片机设计整个智能脱扣装置的电气原理图见附录A，PCB版图见附录B。本章先介绍控制电路，其他部分在后续章节进行介绍。控制的核心电路包括了单片机89S51、由电容和晶振构成的时钟电路以及DS1232构成的复位电路。下面分别介绍这些组成部分的工作原理。3.1 89S59单片机选择及介绍本装置采用89S51单片机作为主控芯片，用于对输入信号的采集、处理；对机床启停运行、指示灯的控制输出；信息的发送、接收及保存，如3.1所示。单片机原名微型控制器，英文名为MicroController，它是一种集成度很高的计算机，多用于控制和智能仪器中。随着

27、计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。正因为如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS51系列单片机15。单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:一是要有较强的抗干扰能力。由于光电传感器安装于振动强烈的冲床床身，以及实际的运行情况比较复杂，这些都对单片机的干扰较大，所以应

28、采用抗干扰性能较好的单片机机型；二是要有较高的性价比16。结合市场情况和实验室已有条件，本装置决定选用具有40引脚封装的AT89S51单片机作为本控制电路中的主控芯片。由于51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEI公司2003年推出的新一代89S系列单片机，其典型产品AT89S51单片机具有较高的性能价格比。本文采用ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为监测系统的核心部件，AT89S51单片机是AT89S系列单片机中的一种，它现己广泛应用于工业控制等领域。AT89S51新增加的功能由特殊功能寄存器完成，相信日后它将更广泛地应用于工业控制、汽车控制、

29、智能仪器仪表及电机控制等应用领域。图3.1 89s513.2 复位电路如图3.2所示，本装置采用由美国DALLAS公司生产的“看门狗(WATCHDOG)”集成电路DS1232作为单片机的复位芯片，其性能可靠、使用简单、价格低廉，能够实现单片机的按键复位、电压监视、及“看门狗”等功能。DS1232采用8引脚双列直插封装，各引脚功能如表3.1所示。图3.2 DS1232看门狗表3.1 DS1232引脚功能引脚编号名称功能1/PBRST按钮复位输入2TD看门狗定时器延时设置3TOL5或10电压监测选择4GND接地5RST 高电平有效复位输出6/RST低电平有效复位输出7/ST周期输入8VCC5V电源

30、DS1232提供了可直接连接复位按键的输入端PBRST，在该引脚上输入低电平信号，将在RST和/RST端输出至少250ms的复位信号。将复位按键一端接地，一端接复位输入端PBRST，实现按下按键复位单片机的功能。DS1232能够实时监测向微处理器供电的电源电压，当电源电压VCC低于预置值时，DS1232的第5脚和第6脚输出互补复位信号RST和/RST。预置值通过3引脚(TOL)来设定；当TOL接地时，RST 和/RST信号在电源电压跌落至4.75V以下时产生；当TOL与VCC相连时，只有当VCC跌落至4.5V以下时才产生 RST和/RST信号。本装置将TOL引脚接地，电源电压VCC降低5%时，

31、即低至4.75V以下时产生RST和/RST信号。当电源恢复正常后， RST和RST信号至少保持250ms，以保证微处理器的正常复位17。在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RST和/RST端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能可以有效防止外部电路对单片机的干扰。定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，本课题中将TD引脚接VCC，定时时间典型值为1200ms，最小值为500ms，最大值为2000ms，定时器的周期输入信号ST端接单片机的ALE信号22。3.3 时钟电路本装置采用单片机内部时钟方式。在单片机的高

32、增益反相放大器的输入端引脚XTAL1和输出端引脚XTAL2之间，跨接石英晶体振荡器和微调电容，微调电容C1和C2取30pF，晶振的频率取值为12MHz，就构成了一个稳定的自激振荡器。时钟电路用于产生单片机工作是所必须的时钟控制信号，89S51单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格的执行指令进行工作，在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出所需要的指令操作码，然后译码，并由时钟电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，另一类用于对片外存储器或I/O端口的控制。89S51单片机各功能部件的运行都是以时钟信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性18。常用的时钟设计电路有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。外部时钟方式是使用外部振荡器产生的脉冲信号，常用于多个单片机同时工作，以便于单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。本装置使