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樓主  發(fā)表于: 2011-10-21 10:19
安科瑞蔡昀羲
摘    要:介紹一款基于8位單片機ATmega128為主控芯片,具有監(jiān)測32路開關量信號輸入的ARTU-K32型遙信單元設計原理,以及該產品主要技術指標與應用案例。
關鍵字:ATmega128芯片;遙信單元;ARTU-K32 型
 
0  引言
  在電力及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中,存在著大量如斷路器的分合、電機的啟停,電磁閥的開閉等執(zhí)行機構狀態(tài)需要檢測并把狀態(tài)反饋回控制單元,從而構成閉環(huán)控制。在以往的系統(tǒng)設計中常使用多個PLC或帶有通訊和開關量輸入功能的現(xiàn)場儀表組成一個遠程自動控制系統(tǒng),但PLC高昂的成本和繁瑣的系統(tǒng)結構給自動化設計、應用帶來困擾。
  本文介紹一款具有32路遙信接點輸入的ARTU-K32,該裝置可接受32路有源或無源接點,把開關量信號經(jīng)通訊實現(xiàn)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,32個通道掃描一周僅需時間為1ms,同時擁有2000組輸入狀態(tài)事件記錄,帶GPS校時功能,在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個月內不丟失,相對以往控制方式,本設計在簡化控制網(wǎng)絡結構的同時,提供了一種低成本,高可靠性的替代方案。
1  電路設計原理
  ARTU-K32遙信單元硬件電路包括主CPU芯片、撥碼開關設定輸入、實時時鐘、雙路RS485通訊、SOE事件記錄存儲、看門狗控制、光電隔離輸入采集、供電電源模塊等8部分組成。(見圖1)

圖1 電路結構
1.1  主控CPU
  32路開關量信號采集單元(ARTU-K32)設計采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、事件記錄存取,顯示狀態(tài)控制等。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結構高速低功耗單片機,在16M時鐘頻率時系統(tǒng)性能可達16MIPS,內帶128k的Flash、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM;可擴展64k外部存儲器;兩路UART通訊口。同時該芯片擁有JTAG在線編程口,方便用戶調試,降低了開發(fā)成本,53個可編程I/O口可以掛接足夠多的外圍設備。
1.2  撥碼開關設定輸入
  撥碼開關提供用戶一個簡化的人機接口,用于設定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設定功能,撥碼開關(SW1)的10位數(shù)據(jù)口都接10k電阻上拉到Vcc,電路使用一個74HC244(IC5)數(shù)據(jù)緩沖器,把撥碼開關的狀態(tài)傳送到8位數(shù)據(jù)總線,剩余兩根數(shù)據(jù)線則直接接到CPU的I/O端口。(見圖2)

圖2 撥碼開關設定輸入電路
1.3  實時時鐘
  實時時鐘芯片RX-8025A(IC4)提供給系統(tǒng)SOE事件的時間記錄點,該芯片擁有400kHz 串行IIC總線接口,其內置的32.768 kHz 石英振蕩器,提供寬溫、高穩(wěn)定性的實時時間數(shù)據(jù)。
1.4  通訊方式
  通訊方式采用雙路RS485方式,調試及設定和上位機通訊部分在物理上分成兩路,互不干擾,有效防止可能存在的誤操作。(見圖3)

圖3 雙路RS485通訊電路
1.5  SOE事件記錄存儲
  SOE事件記錄存儲器使用32k低功耗SRAM(IC3)IC61C256AH和后備電源形成一個斷電不丟失的數(shù)據(jù)存儲單元,使用數(shù)據(jù)鎖存器74HC373(IC2)和CPU的PC端口組成15位數(shù)據(jù)地址對IC3進行數(shù)據(jù)存儲操作。(見圖4)

圖4 事件記錄存儲電路
1.6  看門狗控制
  掉電自動保存部分使用MAX691CWE(IC8)作為電源管理,在系統(tǒng)有輔助供電的情況下保證IC3由主電源Vcc供電,當主電源掉電時則自動切換到后備電池供電方式。同時此芯片還兼有看門狗功能,在系統(tǒng)死機的極端情況下及時復位CPU,使系統(tǒng)快速恢復至受控狀態(tài)。(見圖5)

圖5 看門狗電路
1.7  光電隔離的輸入信號狀態(tài)采集
  外部開關信號采集使用光耦(IC1,IC2只畫出其中四路)作電器隔離,光耦輸出端使用一個數(shù)據(jù)緩沖器74HC244(IC9)對光耦輸出信號進行緩沖后傳送到CPU的數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。(見圖6)

圖6 信號狀態(tài)采集
1.8  電源部分
  電源模塊采用PI公司的開關電源芯片,輸入范圍為AC/DC 80-270V,電源共有3路輸出,分別給CPU,12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。
2  軟件設計
  軟件流程見圖7

圖7 軟件流程圖
3  產品結構特點
  ARTU-K32采用DIN35mm導軌安裝。前端帶通信指示和信號運行通道指示2組指示燈,通信有兩路RS485接口,(使用ModBus—RTU協(xié)議)一路用于通用參數(shù)的設置及調試,另一路用于和上位機通訊。產品頂端設有撥碼開關窗口,可通過撥碼開關設置產品通訊地址和波特率。產品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測控節(jié)點產品通用技術條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗方法》和GB/T13729-2002《遠動終端設備》標準。
4  產品主要技術指標見表1
產品主要技術指標                               表1
性能
指   標
輸入回路/方式
32路有源濕接點或無源干接點
總線方式
二線制半雙工RS485(ModBus—RTU)建議采用三芯屏蔽線
總線容量
≤32
開關量事件分辨率
多接點相繼變位的區(qū)分能力,任兩個接點變位時間間隔大于1毫秒時,單元的區(qū)分能力(小于2ms)并在SOE中體現(xiàn)出來
遙信掃描速度
32個通道掃描一周需要1ms
遙信去抖時間
1~99ms可編程(32通道統(tǒng)一的時間)
事件順序記錄(SOE)容量
1600組
外殼防護等級
IP20
電源
DC24V或AC/DC200V
電源功耗
<5W
 5  應用案例
  1臺ARTU-K32可以監(jiān)控8條馬達回路或16路照明回路的工作狀態(tài)。以監(jiān)測馬達回路為例,一次方案見圖8(a),由配輔助、故障觸點的NS斷路器、LC1交流接觸器、LR2熱繼電器和AKH-0.66P保護型互感器組成。每條馬達回路監(jiān)測4組節(jié)點,即斷路器合閘、故障觸點,電機運行(接觸器)狀態(tài)觸點,電機熱過載(熱繼電器)觸點,1臺ARTU-K32監(jiān)測8條馬達回路。見圖8(b),通過現(xiàn)場啟停按鈕控制馬達的運行與停車,現(xiàn)場紅、綠指示燈同步顯示馬達的工作狀態(tài),遙信單元則可通過監(jiān)測各元件觸點的動作值遠程顯示馬達的工作狀態(tài)。

圖8 
6  結束語
  ARTU-K32遙信單元于2007年12月在國家繼電保護及自動化設備質量監(jiān)督檢驗中心測試,符合相關要求。該產品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務大廈、內蒙古某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應用,降低了投資成本,產生了較好的社會和經(jīng)濟效益。
  文章來源于:《電氣技術》2009年第9期。
參考文獻:
[1] 上海安科瑞電氣有限公司.ARTU四遙單元安裝使用說明書,2008.07版.
[2] 任致遠,周中.電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南,中國電力出版社,2007.


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