第２５卷第９期２００８年９月
机电工程
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＭＡＧＡＺＩＮＥ
Ｖ０１．２５Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２００８
基于总线式低压断路器智能控制器的研究与设计木
刘青松，曹泰斌
（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴３１４００１）
摘要：针对智能断路器控制器的技术要求，提出了基于ＤＳＰ和ｔＬｓ／ＯＳ—ＩＩ嵌入式操作系统的总线式低压断路器新型智能控制器的设计思路和实现方案，介绍了嵌入式系统的硬件和软件，阐述了Ｐｒｏｆｉｂｕｓ?ＤＰ总线接口模块的设计以及¨，ｓ／ＯＳ－ＩＩ在ＴＭ￥３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片上的移植问题，最后，进行了该控制器的现场试验。现场试验结果表明，该控制器可靠性高，试验结果达到预期的设计要求，具有广阔的应用前景。
关键词：ｔｒｓ／ＯＳ?ＩＩ；嵌入式系统；断路器；智能控制器
中图分类号：ＴＭ５６１文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４５５ｌ（２００８）０９—００１ｌ一０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｃｉｒｃｕｉｔｂｒｅａｋｅｒｂａｓｅｄｏｎｆｉｅｌｄｂｕｓ
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ｄｕｓｔｒｉａｌｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｈａｓａｃｈｉｅｖｅｔｏａｎｔｉｃｉｐａｔｉｏｎ
ｒｅｑｕｅｓｔ，ａｎｄｉｔｃａｎｂｅｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｃａｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐ．ｓ／ＯＳ?ＩＩ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ；ｃｉｒｃｕｉｔｂｒｅａｋｅｒ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
０前言
器的研究与设计。’
智能断路器是一种将计算机技术、数字处理技术和信息技术引入传统开关设备，而发展起来的新一代开关电器。智能断路器的控制器是实现智能操作的核心部件…，其基本任务是通过对电网参数的采集和处理，给出相应的控制信息，同时，智能控制器通过现场总线可以和计算机连接，实现断路器间的联网通信以及进行远程监控，从而构成一个功能强大、检测精度高、可靠性好的测控系统，全面检测电网运行参数（如电流、电压、频率、功率、功率因数等），并根据电网负载自动保护，使电网设备免受过载、短路、接地、过压、欠压、漏电等故障危害；通过与现场总线的远程监控，实现“四遥”功能¨一１，即遥测、遥控、遥信和遥调。目前，我国正致力于开发国产第４代断路器，其特点是“无触点化、超导化、智能化和网络化”。
本研究主要探讨基于总线式低压断路器智能控制１ｐｓ／ＯＳ－ＩＩ嵌人式操作系统
，ｐ。ｓ／ＯＳ—ＩＩ包括：内核管理、任务管理、时间管理、事件控制块、信号量管理和邮箱管理等。
Ｉ止ｓ／ＯＳ—ＩＩ中创建的任务有５种状态，分别是：睡眠、等待、就绪、运行和中断服务。Ｉ山ｓ／ＯＳ．ＩＩ是占先式内核，每个任务都要设置优先级，优先级最高的任务可以先进入ＣＰＵ运行，其它任务只能先在就绪状态中等待。ｐ。ｓ／ＯＳ—ＩＩ最多可以创建多达６４个任务（实际可以使用５６个，因为前４个和后４个任务优先级被保留作系统升级用）。
２嵌人式系统的硬件设计
２．１智能控制器总体结构及工作原理
智能控制器硬件系统的总体结构，如图１所示。该控制器的主要任务是采集电网的电流和电压信号，
收稿日期：２００７—１２—２１
基金项目：浙江省自然科学基金资助项目（５００１００４）
作者简介：刘青松（１９６５一）。男，山西汾阳人，副教授，主要从事智能控制系统方面的研究。万方数据
机电工程第２５卷
经过信号采样电路处理后，使信号变换成ＤＳＰ的标准输入电压０～３．３Ｖ，ＤＳＰ通过对采集信号的分析比较，做出正确的判断，发出动作指令，从而实现线路的过载、短路、接地等故障的保护，并通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线发送和接收监控计算机的相关数据，实现远程监控管理。该系统主要有ＤＳＰ及其外围电路、Ａ／Ｄ信号采集与处理电路、液晶显示电路、电源、脱扣电路等部分构成。ＤＳＰ的外围电路主要包括晶振、滤波回路、片外ＲＡＭ和一些门电路。
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Ｉ手ｕＩＵ路ＩＩ作电路ｌ’ｌ：坚！！！！
片外Ｉｌ看门狗复ＪＪ状念检ｌｌ键盘Ｉ｜液品显
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图１智能控制器总体结构
２．２ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片及其开发环境ＣＣＳ２．２简介ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ控制器的外设包括”ｊ１：事件管理器、网络接口、Ａ／Ｄ通道模数转换、ＳＰＩ串行外设接口、ＳＣＩ串行通信接口、通用双向Ｉ／Ｏ引脚。ＣＣＳ２．２是ＣＣＳ系列中的最新版本，有很多既方便又强大的功能，包括：支持同时载人多个工程文件；加强了编译器功能，对语法的检查更加严格；通过建立库工程，支持编译函数文件成为库文件等。
２．３信号采集电路
系统采集的信号是４路电流和３路电压信号，电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压，经滤波隔离放大之后形成适合Ａ／Ｄ转换的电压范围，７路信号经处理后送到多路电子开关。由于ＤＳＰ本身具有Ａ／Ｄ转换器，所以只需通过ＤＳＰ控制电子开关选通所需的各路信号，即可完成对多路信号的采集。
ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换精度为２“ｏ，完全能够满足实时采集和高精度要求。设计中，利用定时中断方式进行采样，要求每１ｍｓ就在３路电压和４路电流信号上各采集一点。
２．４Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线接口模块
在Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线通信过程中，主站循环地读取从站的输入信息，并周期性地向从站发送输出信息；同时，数据的通信通过主站和从站的监控功能进行监控。
设计中专门选用了５１系列单片机ＬＰＣ９３２Ａ１来实现Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线通信¨１。由于单片机ＬＰＣ９３２Ａ１上安装有增强型ＵＡＲＴ，因此可以用单片机通过软件来模拟Ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线协议。ＬＰＣ９３２Ａ１指令执行时间只需１６７ａｓ，增强型的ＵＡＲＴ波特率可以使数据以５００ｋｂ／ｓ在Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ总线中传输，它允许高速度周期性的数据通信，因此特别适用于对时间要求苛刻的场合。
Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ接口模块，如图２所示。其电路主要由３部分组成：模拟总线协议处理微控制器ＬＰＣ９３２Ａ１、高速光电耦合器６Ｎ１３７和ＲＳ－４８５收发器ＳＰ３４８５。
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图２总线接口硬件电路
为了增强Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线节点的抗干扰能力，ＬＰＣ９３２Ａ１的ＴＸＤ和ＲＸＤ并不是直接与ＲＳ－４８５收发器ＳＰ３４８５的ＴＸＤ和ＲＸＤ相连，而是通过高速光电耦合器６Ｎ１３７与ＳＰ３４８５相连，这样能较好地实现总线上各Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ节点间的电气隔离。其中，光耦部分电路所采用的２个电源ＶＣＣ和ＶＰＰ必须完全隔离，虽然增加了节点的复杂性，但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至ＳＰ３４８５上Ａ引脚的上拉电阻和连接至Ｂ引脚的下拉电阻用于保证无连接时的ＳＰ３４８５芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高ＲＳ－４８５节点与网络的可靠性。
３嵌入式系统的软件设计
３．１ｐｓ／ＯＳ－ＩＩ在２４０７上的移植
ｐ．ｓ／ＯＳ．ＩＩ在２４０７上实现移植是嵌人式系统软件设计的关键所在，根据嵌人式实时系统的实际需要，对ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ、ＯＳ—ＣＰＵ—Ａ．ＡＳＭ、ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ文件进行编写，对ＯＳ—ＣＦＧ．Ｈ配置的正确设定，如对最低优先级ＯＳ—ＬＯＷＥＳＴ—ＰＲＩＯ、最多任务控制块ＯＳ—ＭＡＸ—ＥＶＥＮＴＳ、最多任务数ＯＳ—ＭＡＸ—ＴＡＳＫＳ进行设置，对需要使用的功能进行选择置位。
ＯＳＳｔａｒｔＨｉｇｈＲｄｙ（）控制最高优先级任务的运行，ＯＳＣｔｘＳｗ（）用来实现中断服务子程序、陷阱或异常处理程序的任务切换，ＯＳＴｉｃｋｌＳＲ（）用来实现时钟节拍功能。
将各种函数编写好以后，装载入２４０７或外部ＲＡＭ中，进行成功移植后，即可在此基础上进行嵌入式系统的软件开发。
３．２智能控制器软件设计
智能控制器系统软件设计主要有２部分：主程序和中断程序。中断程序包括定时器采样中断、延时保
万方数据
第９期刘青松，等：基于总线式低压断路器智能控制器的研究与设计
护处理中断和通讯中断，其中，定时器中断优先级高于
通讯中断，以保证定时采集数据并进行相关处理。
软件采用汇编语言和高级语言混合编制而成，按
功能可分为２类：①执行软件。完成各种实质性的功
能，如测量、计算、显示等；②监控软件。采用模块化设
计技术，便于系统功能扩展和提高程序的可靠性、可维
护性，同时为实现智能控制器的测量、保护、监控和通
信等功能，设计了一种多任务操作系统。
主程序流程，如图３所示。其中，由于实时性要求
不高，其主要功能如液晶显示、保护算法、滤波算法、有
效值计算、通信的发送和接收、键盘输入设置参数等，
用主循环依次实现。对于实时性要求较高的程序，如
Ａ／Ｄ采样转换程序和瞬动保护判断程序，采用了汇编
语言编程，这样可以加快相关代码运行的速度，提高系
统运行的效率。利用ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换器，每隔１ｍ８
采样１次，完全可以满足实时性要求。
定时采样中断程序流程，如图４所示。
厂１ｎ
系统初始化
量键按下吗三
＼＞。／
查￡＝＝
数字滤波、
有效值汁算
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圈３主程序流程图
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入存储Ⅸ域Ｉ
＝］二：
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二］二：
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图４定时采样中断
程序流程图
智能控制器通过定时采样中断和计算获取主线路的信号，比较是否达到或超过短路瞬时整定值、短延时整定值、过载长延时整定值，并作出相应的分断命令。３．３上位监控软件
智能断路器与上位机之间的通讯采用多主方式，即网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，其目的不仅是使智能节点能响应上位机进行数据传输，而且为了能够定时或在智能节点出现异常时及时主动地向上位机传送相关信息。
上位机采用ＶＢ编程实现以下功能：①实时接收智能断路器上传的数据，包括正常情况下的定时发送和异常情况下的实时发送；②随时读取下位智能断路器的数据，即工作人员可从上位监控机上根据需要随时向下位智能节点发送远程帧，索取相关数据；③具有在线远程设置相关参数及远程控制断路器的分／合闸，即实现“四遥”功能。
４试验
本研究设计的样机在企业试验站进行了现场调试、试验，如保护特性的测试、上位机和控制器之间的通信等，做了大量的运行试验，取得了满意的结果；主要技术性能指标满足ＩＥＣ６０９４７－２，ＧＢｌ４０４８．２标准，优于传统的低压断路器，同时，亦扩展了其功能。
４．１系统测试
主站监控软件设计有实时曲线、故障报警、保护特性整定、时间报表、历史数据查询等功能模块，有较好的人机界面。
（１）遥测功能。集中监控计算机（以下称主站），可以通过现场总线系统实时获取智能断路器（以下称从站）测量和记录的各种电网参数；同时还可以记录电网出现故障的各种情况。
（２）遥控功能。主站可以控制从站进行储能、合闸、断开等动作。
（３）遥讯功能。主站可以检查各个从站的各种设定参数（如型号、额定电流、额定电压、保护特点数据），以及当前的工作状态。
（４）遥调功能。主站可以设定、调整各个从站的各种可变参数，如各种保护电流的设定值、各种保护延时时间的设定值，获取从站的调整结果。
４．２总线系统的主要指标
（１）数据传输距离为１２００ｍ，加一个中继器可以扩展。
（２）数据传输介质为双绞线（４类以上）。
（３）数据传输速度为：５ｋｂｐｓ一１Ｍｂｐｓ。
（４）传输介质连接脱扣器的数量为２５６台。
（５）通信方式为多主方式。
４．３智能脱扣器的主要功能试验
对智能脱扣器的各个功能进行了试验，如过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬动保护、负载监控、过载预报警等，并通过网络调整控制参数。主要功能试验结果，如表１所示。
（下转第２４页）
鳖
票万方数据
?２４?机电工程第２５卷第２种失磁情况仿真结果，如图１０所示。
ｔ／ｓ（ａ）励磁电流Ｉ
ｔ／ｓ（ｃ）机端电压Ｕ
２
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（ｅ）无功功率Ｑ（ｆ）有功功率尸
图１０Ｒ。＝０的失磁仿真结果
４结束语
比较两种故障的仿真结果可以发现，失磁后转子很快就以一定低转差稳定运行，一段时间后就会出现突然增大到一定值，之后再迅速回落到之前稳定异步运行的转差，并以一定周期重复前面的过程。其他各量都在一定范围内做周期性的变化。但是，有灭磁电阻的仿真结果显示，各变量的波动范围比没有灭磁电阻的要小很多。因此，有灭磁电阻的失磁故障对电机本体以及电网的影响要小，发电机失磁后应迅速投入灭磁电阻使发电机进入灭磁失磁中。
该研究结果对在电机设计中增强电机异步运行性能也具有很好的参考价值。
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［编辑：张翔］
（上接第１３页）
表１智能脱扣器的主要功能试验表
对于短路短延时保护，它具有“定时限”和“定时限＋反时限”两种保护模式。
５结束语
本研究从开发的角度阐述了基于ＤＳＰ的嵌入式操作系统和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ?ＤＰ现场总线的智能控制器设计，其各项性能指标均达到设计要求，而且运行可靠、实时性强、控制精度高、动作误差小。主站监控软件可实时监测断路器的运行状态，设定、调整各个从站的各种可变参数。
试验结果表明：采用了∥ＯＳ．ＩＩ嵌人式实时操作系统设计的智能控制器，实现了测量、保护、通信和监控等功能，实现了网络化的功能，整定方便、精度高、实时性好，性能指标优于传统的断路器，达到了预期设计要求。
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［编辑：罗向阳］
万方数据