水泥工廠應用馬達保護器設計

【摘要】隨著網絡化、數字化、智能化技術的快速發展，傳統的低壓設備控制系統對建設智能化水泥生產線存在一定的制約問題；本文設計的基于ATmega芯片的馬達保護器，性能穩定、價格低廉，有效的解決了繼電器-接觸器控制系統缺點，對構建智能工廠，具有一定的實用性。

【關鍵詞】智能化水泥生產線；馬達保護器

1、前言

傳統的低壓設備控制，是由繼電接觸器控制系統來實現的；該系統由接觸器、繼電器、主令電器和保護電氣等元件組成，按照一定的控制邏輯接線組成的控制系統。繼電器控制線路成本低廉，控制方式直觀、操作簡單、維護調整方便，現場人員容易掌握使用等優點，被廣泛用于工礦企業生產控制系統。

現有水泥工廠低壓設備電氣控制系統絕大部分采用繼電器-接觸器控制系統，采用中控和就地控制方式，中控室僅對低壓電氣設備的啟停進行控制，電氣設備運行信息、故障信息無法監控，45kW及以上電機設置有電流顯示功能。該電氣設備控制系統模式為水泥工廠的快速發展發揮了很大的作用，然而隨著國民經濟的快速發展，網絡化、數字化、智能化技術的廣泛應用，工業化和信息化的深度融合，積極探索建設智能化水泥生產線具有一定的時代意義；作為水泥工廠底層操作單元的電氣控制系統，在構建智能工廠中起到了舉足輕重的作用，繼電器-接觸器控制系統因控制速度慢，改變控制功能必須通過改變接線來完成，實現數據通信比較麻煩和困難，無法滿足智能工廠信息化要求。現有一些馬達保護器價格較高，操作復雜，人機界面不直觀，制約了其在傳統行業中的應用。

本文基于ATmega系列高性能微處理器，設計了一款智能化多功能馬達保護器，可實現供電系統的各種保護功能，且性能穩定、價格低廉，能滿足智能工廠信息化要求，具有一定的實用性及經濟意義。

2、智能馬達保護器功能概述

馬達保護器作為水泥工廠底層操作單元的核心部件，應具有以下功能：

（1）能完成電氣設備漏電閉鎖、欠壓、過壓、電流三相不平衡、過載、短路等多種保護功能；

（2）各項保護功能參數均可以通過菜單選擇調整，適應范圍廣；

（3）操作直觀簡便的配合菜單式友好人機交互界面；運行時實時顯示當前三相電流和系統電壓及系統時間；

（4）每次調整的各項保護功能參數、故障信息均能記憶保存；

（5）具有數據通信接口與監控系統連接。

3、硬件系統設計

3.1微處理器選擇

作為保護裝置的核心部件，處理器的選擇至關重要，處理器的性能及功能直接影響到產品的質量及價格。本款產品立足于水泥工廠電氣設備控制，控制算法、控制邏輯不復雜，產品功能無特殊要求，滿足基本保護功能外，應具備通訊及保護記憶功能，因此一款高性能、多功能、價格低廉的微處理器選擇是本產品設計應用成敗的關鍵。

縱觀電機控制領域中的微處理器由單片機類型、DSP類型等。傳統單片機雖價格便宜但功能太簡單，內部存儲空間有限，運算速度慢，一般用于簡單的智能儀表設計；DSP以其高速計算能力和特殊的硬件結構在電機控制領域中正逐步取代單片機，成為控制系統的核心，價格較高、控制算法復雜，適用于復雜控制領域，尤其在矢量控制方面有其獨特的優勢。

結合以上說明，傳統單片機和DSP芯片都不太適合本款產品需求，本設計選用高性能、低功耗、價格低廉的AVR系列微處理器（ATmega128），該芯片有以下功能特點：

先進RISC結構：133條指令大多數可以在一個時鐘周期內完成，32x8通用工作寄存器+外設控制寄存器，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。

非易失性的程序和數據存儲器：128K字節的系統內可編程Flash、壽命10000次寫/擦除周期，4K字節的內部SRAM，多達64K字節的優化外部存儲器空間。

JTAG接口：支持擴展的片內調試。

外設特點：兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器，兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器，8路10位ADC通道，具有兩個通用同步和異步串行接收器和轉發器。

選用此芯片，運算速度比傳統單片機快30多倍，帶有可編程Flash和ADC通道；芯片價格是DSP價格的一半，比傳統單片機價格貴2倍，但是考慮芯片最小系統的完整性，價格是傳統單片機最小系統的80%。

綜上所述，ATmega系列產品從性能、功能及價格方面都是本款水泥工廠用馬達保護器的最佳選擇。

3.2信號處理回路

電壓檢測電路由隔離變壓器提供線電壓（額定電壓為10V），即變比為380/10；經電阻分壓、運算器隔離后進入芯片ADC通道。

電流檢測回路由電流互感器，直接穿在三相母線上，便可獲得與一次側電流成正比的電流信號，經濾波放大處理后進入芯片ADC通道。

3.3開關量信號回路

開關量輸入信號經光電隔離后直接進芯片輸入信號管腳，輸出信號原理一樣。

3.4通訊接口電路

通訊接口電路是實現與監控系統上位機完成包括遠方分閘、遠方合閘、修改參數、查詢開關狀態、查詢模擬量、查詢軟件版本號、復位等操作的關鍵載體。

液晶顯示回路、鍵盤操作回路、系統時間回路、電源處理回路略。

4、軟件設計概述

本文設計的馬達保護器的控制軟件主要由三部分組成：初始化模塊、系統功能模塊和中斷服務程序。系統在每次復位后，首先執行初始化模塊，然后開啟中斷，系統開始循環執行功能程序模塊，同時，當外部中斷條件（包括故障保護中斷和鍵盤中斷）滿足時，執行相應的中斷服務程序。

結論：

本文所設計馬達保護器，充分考慮現有水泥工廠運行情況及操作人員習慣，功能豐富，操作簡單易懂，配置有友好的人機界面及數據通訊接口，可實時監控電氣設備運行參數，且性能穩定、價格低廉，滿足了構建智能工廠對底層操作單元的要求，具有一定的實用性及經濟意義。

參考文獻：

[1]余發山主編.單片機原理及應用技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]余發山，張偉，劉艷昌.基于DSP的瓦楞紙板橫切機控制系統設計[J].微計算機信息，2008年28期.