總線式固體接觸器設計

張 莉,鄔寶寅

(1.鄭州科技學院機械工程學院,河南 鄭州 450064；2.新天科技股份有限公司,河南 鄭州 450001)

0 引言

接觸器是電氣控制系統常用的負載驅動元件。接觸器用于連接控制回路與主回路,可將控制回路的弱控制信號轉換為主回路的通斷。傳統接觸器為機械觸點式,通過控制電磁線圈電流的通斷使電磁線圈產生磁力,再控制機械主觸點的通斷,從而將控制電磁線圈的弱電流轉換為主觸點的強電流。在這個轉換過程中,電磁線圈所在的回路和主觸點所在的回路是電氣隔離的,可以有不同的電壓等級。發生故障或斷電時,主觸點在彈簧的作用下斷開,所以接觸器具有較高的安全性和可靠性。

較復雜的電氣控制系統中,接觸器通常由可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、計算機輸入/輸出(input/output,I/O)接口卡或工業觸摸屏I/O接口控制。每個接觸器線圈連接1個開關量輸出點,通過程序控制接觸器負載動作。這種系統在接觸器較多時導線使用也較多,且接觸器負載之間距離不能太遠,一般采用將接觸器和PLC集中安裝在控制箱的方式[1]。對于大型分布式控制系統,需要采用現場總線連接的多臺PLC分別控制各自的接觸器負載,系統結構較復雜,成本較高。大容量接觸器不能由PLC輸出點直接驅動,而是需要采用中間繼電器,導致布線更復雜。

1 設計思路

固體繼電器(接觸器)是采用電力晶體管制造的無觸點開關元件,可通過極微弱的電流信號控制強電負載的通斷,并可實現遠高于機械觸點的開關速度和通斷次數壽命。但電力晶體管對過載較敏感,需要配合保護電路,且在斷開時存在不可消除的漏電流,不能實現開關兩端的徹底斷開[2-3]。總線式固體接觸器系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

本文結合現代微控制器技術和電力晶體管技術,設計總線式固體接觸器。如圖1所示,總線式固體接觸器通過總線互相連接，由總線指令控制通斷。主控制器通過RS-422串行接口發送指令，控制總線上所有接觸器的通斷。總線式固體接觸器內部通過光電隔離省略中間繼電器環節,簡化電路結構,方便安裝使用。由于串行總線可實現遠距離通信,這種方式更適合遠距離分散安裝情況下的集中控制。接觸器通過現場總線直接控制,相當于將常規應用中PLC層級的現場總線下移至接觸器層級,使之成為一種面向負載分散安裝的現場總線智能終端,更符合現代集散控制系統集中管理分散控制的思想[4]。

總線式固體接觸器相當于具有1個輸出點的總線式PLC,采用微控制器電子線路構成控制核心,采用電力晶體管構成觸點,故稱之為“固體”接觸器。借助其微控制器硬件和總線通信功能,還可實現更多智能化設計功能，如精確的軟啟動、三相電壓電流檢測、斷相故障檢測等[5-6]。

2 硬件設計

總線式固體接觸器硬件由微控制器、雙RS-422總線接口電路、晶閘管驅動測量保護電路這3個部分構成。

晶閘管驅動測量保護電路如圖2所示。三相固體接觸器含有3個這樣的結構,設計容量為10 A。相線L從端子J9進入,分別經過電壓電流測量電路、雙向晶閘管驅動電路和保護電路,從端子J6輸出。

圖2 晶閘管驅動測量保護電路

晶閘管驅動電路由雙向晶閘管Q6 BAT26/600B和過零型雙向可控硅輸出光耦U16 MOC3063構成。U17輸入端由微控制器I/O口C1通過三極管Q16控制。當C1輸出低電平時,U16輸入端發光管導通、輸出端在下一次過零時輸出觸發電流,觸發雙向晶閘管Q6導通,從而使三相固體接觸器的該相回路閉合。當C1輸出高電平時,U16在下一次過零時關斷觸發電流，致使Q6關斷[9-10]。

晶閘管驅動電路后方為保護電路,包括熔斷器F1、浪涌吸收電路和輸出檢測電路。F1為20 A 10×38熔斷器,用于短路保護，以防止晶閘管損壞。浪涌吸收電路由C33、R53構成的容阻吸收電路和400 V壓敏電阻RV5組成。輸出檢測電路由普通光耦U17構成。U17輸入端通過電阻串聯在相線輸出端和零線之間。U17光電輸出端連接在微控制器I/O口上。若晶閘管Q6導通，則U17光電端輸出50 Hz周期性高電平,由此可在故障時判斷是熔斷器熔斷還是負載斷相。

雙RS-422總線接口電路如圖3所示[ 3]。

圖3 總線接口電路

2個RS-422電路的差分端構成固體接觸器的2個總線接口(A和B)。2個RS-422電路的晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic,TTL)端通過2個三態門相連構成中繼透傳電路,同時分別與微控制單元(microcontroller unit,MCU)的2個串口收發端相連。MCU采用STM32F103C8。三態門平時處于閉合狀態,來自總線的差分信號數據從總線接口A進入，轉換為TTL數據,再穿過三態門重新轉換為差分數據從總線接口B輸出。從總線接口B進入的差分信號數據經過相同過程從總線接口A輸出。同時，MCU的2個串口的接收端處于接收狀態,可以接收來自總線接口A和總線接口B的數據,若該數據與自身有關則進行解析。這種中繼方式可延長總線傳輸距離,增加總線設備數量。若該固體接觸器需要向外輸出數據,則首先斷開三態門,然后MCU的2個串口輸出端輸出的數據通過總線接口A和總線接口B送入總線。在此期間，若總線接口A和總線接口B同時有數據送入,則MCU的2個串口的接收端會接收該數據并緩存在MCU內部,待自身數據發送完成后再向另一方向發送在此期間緩存的數據。這種方式可實現總線上的設備在任意時刻發送數據,而不必擔心總線沖突的問題[5]。

3 程序設計

總線式固體接觸器微控制器程序設計包含觸點控制和測量、總線通信控制、通信協議執行3項基本功能。

3.1 觸點控制和測量

觸點控制和測量是固體接觸器的基本功能,包括觸點閉合斷開控制、電源電壓和負載電流測量、測量結果按條件輸出等3個并行任務。觸點閉合斷開控制任務由20 ms定時器中斷驅動。MCU以20 ms為周期讀取通信指令預設的通斷標志。若標志為斷開,則直接斷開晶閘管電路；若標志為閉合,則同時讀取軟啟動參數,以20 ms為周期(即交流電頻率)交替閉合斷開晶閘管電路。由于設計采用了過零驅動型光耦驅動晶閘管電路,可保證負載在此期間得到50%占空比的交流電,直到達到預設軟啟動時間,再令晶閘管電路穩定閉合。測量任務由ADC轉換完成中斷觸發執行。MCU初始化后,內部ADC以連續方式執行基準電壓、三相輸入電壓、三相負載電流共7路轉換,耗時約2 ms。轉換完成后觸發中斷,MCU解算三相輸入電壓值和三相負載電流值。結果移入可存儲50次轉換結果的先進先出(first in first out,FIFO)緩存,再與之前49次的轉換值一起經過數字濾波后計算出近5個交流電周期的有效值。該計算值與通信指令預設的報警值相比,若輸入三相電壓低于或高于預設電壓范圍,置電源故障標志；若輸入三相電壓不平衡,置電源斷相故障標志；若輸出電流高于預設短路電流值,置短路故障標志；若輸出三相電流不平衡,置負載缺相故障標志；若輸出電流高于預設過載電流值且超過預設過載時間,置過載故障標志；發生上述故障時晶閘管觸點立即被斷開,且立即執行輸出測量結果。測量結果輸出任務除了在發生故障時執行外,還可通過定時中斷執行。定時值由通信指令預設的測量結果輸出周期決定。通過設置測量結果輸出周期,總線式固體接觸器可周期性地向總線輸出電源電壓、負載電流、故障狀態等信息。

3.2 總線通信控制

總線通信控制程序結合雙RS-422總線接口電路,可實現總線中繼通信和防沖突功能。RS-422總線接口A和總線接口B分別對應2個硬件通用異步接收發送器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)。每個UART具有1個接收FIFO緩存。總線通信控制程序分為數據接收、數據解析和數據發送這3個部分。數據接收由2個UART接收中斷觸發執行。UART平時處于接收狀態,且2個RS-422接口電路之間的三態門處于導通狀態。RS-422進入的數據一方面穿過該設備從另一個RS-422口流出,另一方面UART接收到數據,將數據存入相應FIFO環形緩存,并進行幀尾判斷。若判斷到幀尾，則啟動一個定時器任務進行數據解析。之所以不立即執行數據解析，是為了防止數據解析期間再次傳入數據造成丟失。通過設置UART接收中斷優先級高于解析任務的定時器,可實現在數據解析期間繼續接收數據存入FIFO。數據解析由定時器觸發執行,即從FIFO緩存中提取數據調用通信協議執行程序,生成應答幀,然后執行數據發送過程。數據發送程序除了在數據解析后執行外,還會在上述測量結果輸出任務時執行。某個RS-422接口在進行數據發送前要先等待另一個RS-422接口數據接收完畢或超時,然后斷開該RS-422發送電路與另一個RS-422接收電路之間的三態門。此時，這2個RS-422接口電路之間將不能進行數據透傳。UART輸出端開始通過該RS-422發送電路發送數據。數據發送完畢后,判斷在數據發送期間另一個RS-422接收電路對應的UART接收FIFO緩存有無收到數據。若收到數據且接收完畢,則通過該RS-422發送電路再次發送這一部分數據。這種方式可實現多個設備同時向總線某一方向發送數據而不會造成數據丟失[5]。

3.3 通信協議執行

通信協議執行包括解析執行來自總線的控制指令和向總線發送接觸器狀態這2項功能。控制指令包括觸點控制和各種參數設置指令,參數包括三相電源電壓范圍、過載電流、短路電流、觸點緩啟動延時、電源電壓負載電流上報周期等。接觸器狀態上傳指令包括電源電壓負載電流上報和發生故障時故障狀態上報。上報周期由預設參數決定。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 測試

通過設計原理圖制作印刷電路板(printed circuit board,PCB),并采用3D打印殼體制作總線式固體接觸器樣機。采用keil v4作為STM32F103C8微控制器的程序編譯器設計程序。將樣機主電源端連接三相交流電,負載端與300 W普通三相交流異步電機相連。樣機總線接口A通過RS-422、RS-232轉換器與計算機串口相連,總線接口B與24 V開關電源相連。計算機端通過串口調試工具組幀與樣機通信,首先設置基本參數,再發送觸點控制指令，并在串口調試工具界面上接收打印樣機上傳的電源、負載狀態信息。通過發送指令可有效控制交流異步電機啟停,并較為精確地獲取電源電壓和負載工作電流。若設置的報警參數偏離實際工作值,則負載立即停止并上傳報警信息。

5 結論

總線式固體接觸器屬于對傳統接觸器的智能化改造,除了具有基本的通斷控制功能外,還具有遠程控制和狀態檢測、監控等智能化功能。在某些場合，總線式固體接觸器可替代PLC,通過計算機和相應軟件直接構成控制系統。若通過連接適當的RS-422網關,可使接觸器直接成為工業互聯網的一個終端,實現三相交流負載的網絡控制和狀態監控,提高工業控制的自動化、智能化水平。