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基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基于STM32F10鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)3R8T6的數(shù)字式量度繼電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

景沈鐵礦石破碎機(jī)石料破碎機(jī)鋒^{1小型振動(dòng)電機(jī)}姚沖擊式破碎機(jī) 波^{刮板輸送2}制砂破碎機(jī)湯建軍^{反擊破碎機(jī)2}（1中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司陜立軸式破碎機(jī)西西安 710054）
（2上海安科瑞電氣股份有限公司上海嘉反擊錘式破碎機(jī)定 201801）

摘要：數(shù)字式量度繼電器具有測量精確、設(shè)定簡單、保護(hù)功能多、速度快等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的電磁、靜態(tài)繼電器理想的替代產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了過濾篩分機(jī)基于STM32F103R8T6的數(shù)字式量度繼電器的總體設(shè)計(jì)方案。該產(chǎn)品能針對(duì)不同的對(duì)象在實(shí)際使用中遇到的多種故障進(jìn)行保護(hù)，使被保護(hù)的對(duì)象在故障狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生損壞，提高可靠性，減少損失。
關(guān)鍵字：數(shù)字式、伸縮式皮帶機(jī)量度繼電器、保護(hù)

Design and Application of回轉(zhuǎn)篩 Digital Measurement Relay Based STM32F103R8T6

Jin電磁電機(jī)振動(dòng)給料機(jī)g Shenfeng^{自動(dòng)切管落料機(jī)1} &td75型膠帶輸送機(jī)nbsp; Yao bo ² Tang Jianjun²
(XianEngineeringDesignCo.Ltd,Chinacoal, Xian Shanxi 710054)
(Shanghai Acrel Co.，Ltd., Jiading Shanghai 201801)

Abstract: The digital measurement relay which has many merit, such as exactitude measurement setting simple, many protect function, speed quick and soShielding="" src="http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/18/1357575i.jpg">

圖1　硬件電路框圖

1.1 主控CPU
　　本量度繼電器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。
1.2 電源
　　電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，該繼電器采用本公司常用的通用開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對(duì)不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
1.3 信號(hào)采集電路
　　信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入，將電流、電壓等電量信號(hào)進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。采樣信號(hào)經(jīng)放大電路放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖2。

圖2　信號(hào)采集電路

1.4 人機(jī)交互單元
　　人機(jī)交互單元采用LED顯示和按鍵輸入，系統(tǒng)采用單排四位LED數(shù)碼管顯示各種信息。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。
1.5 RS485通訊接口
　　通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，能實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能，見圖3。

圖3　通訊電路原理圖

1.6 繼電器輸出接口
　　繼電器輸出接口（圖4）是動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器便會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警或脫扣信號(hào)。

圖4　繼電器輸出原理圖

2　軟件設(shè)計(jì)
　　由于本量度繼電器采用數(shù)字電路，核心元件采用的是32位單片機(jī)，運(yùn)算速度快（時(shí)鐘頻率72MHz），保護(hù)算法都由軟件實(shí)現(xiàn)，因此，由同一電參量引申而出的保護(hù)功能可集成于一體（如測量三相電流可實(shí)現(xiàn)過載、欠載、不平衡、斷相、相序等多種保護(hù)），不像靜態(tài)繼電器那樣，不同的保護(hù)功能需要不同的模擬電路來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致單個(gè)靜態(tài)繼電器往往只有一種保護(hù)功能。
2.1 程序設(shè)計(jì)
　　本繼電器的軟件設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算、保護(hù)、顯示、按鍵、通訊等各種功能子程序。其中計(jì)算子程序主要用于進(jìn)行信號(hào)的采集和運(yùn)算，實(shí)時(shí)測量保護(hù)對(duì)象的電參量；保護(hù)子程序主要集成有各種保護(hù)算法，將測量得到的各種參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值來進(jìn)行對(duì)比，來確定是否有故障出現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行保護(hù)；顯示、按鍵子程序用于人機(jī)交互；通訊子程序則用于將各種參量通過通訊接口遠(yuǎn)傳給后臺(tái)控制系統(tǒng)。
　　由于程序內(nèi)容較多，現(xiàn)給出主程序流程（圖5）和保護(hù)子程序流程圖（圖6）。

圖5　主程序流程圖

圖6　保護(hù)子程序流程圖

2.2 過采樣
　　在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，便定位于既可作為保護(hù)繼電器使用，又可作為低壓電測儀表使用，因此要求本產(chǎn)品的測量精度要高，但出于成本上的考慮，采用主控芯片STM32F103R8T6內(nèi)部自帶的12位AD，為實(shí)現(xiàn)高精度的測量，需要在采樣上使用過采樣的技術(shù)。根據(jù)奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過采樣：f_os=4^w×f_s。其中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，f_s是初始采樣頻率要求，f_os是過采樣頻率。根據(jù)此公式，在采樣時(shí)將采樣頻率提高256倍，即將分辨率位數(shù)提高4位，達(dá)到了16位的分辨率。采用此方法后，本產(chǎn)品的測量精度達(dá)到0.5級(jí)，完全可以滿足作為測量型儀表的要求。由于CPU的速度很快，因此不會(huì)因?yàn)椴捎眠^采樣后，采樣點(diǎn)和運(yùn)算量的增加而導(dǎo)致保護(hù)速度不夠。

3　性能測試
3.1 測量精度的測試（電流型）

圖7

　　試驗(yàn)裝置由圖7所示，信號(hào)發(fā)生源采用深圳科陸公司的RTU檢定裝置CL301V2-R，精度等級(jí)0.05。由CL301V2-R輸出三相交流電流來測試ASJ的測量精度，測試結(jié)果見表1。

表1

DK輸出值 ASJ顯示值 0.100A 0.099A 1.000A 0.999A 5.000A 4.999A 10.000A 9.999A

　　由GB/T22264.1-200《安裝式數(shù)字顯示電測量儀表》第1部分：定義和通用要求中5.2 基本誤差的計(jì)算方法，結(jié)合表1測量數(shù)據(jù)可得，精度等級(jí)能夠滿足0.5級(jí)。
　　計(jì)算公式如下：
　　儀表的基本誤差不應(yīng)超過公式（1）表示的測量值的絕對(duì)誤差△。

　　式中： U_x－被測量的讀數(shù)值；
　　　　　 U_m－被測量的滿度值；
　　　　　 a－與讀數(shù)值有關(guān)的誤差系數(shù)；
　　　　　 b－與滿度值有關(guān)的誤差系數(shù)；

　　公式（1）中應(yīng)滿足如下關(guān)系：a≥4b

3.2 動(dòng)作誤差測試（電流型）
　　繼電器的動(dòng)作誤差是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，因此，需要使用專用的繼保測試儀來對(duì)ASJ的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行測試。
　　這里使用“ZS-740微機(jī)繼電保護(hù)校驗(yàn)儀”來測試ASJ的動(dòng)作誤差時(shí)間，測試結(jié)果見表2。

表2

功能設(shè)定值是否準(zhǔn)確動(dòng)作動(dòng)作時(shí)間ms 域值延時(shí)時(shí)間s 起動(dòng)超時(shí) ---- 2.0 √ 2036 欠載報(bào)警 70％ 2.0 √ 2041 欠載脫扣 50％ 5.0 √ 5049 阻塞報(bào)警 200％ 1.0 √ 1043 阻塞脫扣 250％ 3.0 √ 3037 不平衡報(bào)警 20％ 10.0 √ 10033 不平衡脫扣 30％ 5.0 √ 5042 斷相報(bào)警 ---- 0.5 √ 545 斷相脫扣 ---- 15.0 √ 15036 速斷 ---- ---- √ 47 　　其中各項(xiàng)功能的延時(shí)時(shí)間是可任意設(shè)定的，報(bào)警和脫扣是2個(gè)獨(dú)立的繼電器輸出。由上圖可以看出，動(dòng)作時(shí)間的誤差都在±50ms以內(nèi)。

4　產(chǎn)品特點(diǎn)
　　ASJ系列數(shù)字式量度繼電器在結(jié)構(gòu)上采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝式和96mm×48mm外型嵌入安裝式兩種方式。該為數(shù)字式繼電器，實(shí)時(shí)采樣三相交流電量、采用真有效值的計(jì)算方法，在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高精度的測量。集成有多種保護(hù)功能，僅需簡單選擇即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投入或退出、報(bào)警或跳閘；精度高、功耗小、動(dòng)作快、返回系數(shù)高、無抖動(dòng)。本產(chǎn)品集低壓電測儀表功能和量度繼電器功能于一體，是傳統(tǒng)的靜態(tài)繼電器的理想替代方案。產(chǎn)品符合GB/T 14598量度繼電器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 22264安裝式數(shù)字顯示電測量儀表中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
　　按功能可分為電流、電壓、頻率等多種類型，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3

類型型號(hào) 主要功能通用指標(biāo) 電流 ASJ10-AI3/C 欠載、阻塞（定時(shí)限）、不平衡、斷相、過載（反時(shí)限）、速斷污染等級(jí)2級(jí)
防護(hù)等級(jí)IP54
安裝類別III級(jí) 電壓 ASJ10-AV3/C 過壓、欠壓、不平衡頻率 ASJ10-F/C 過頻、欠頻

5　應(yīng)用案例
　　ASJ系列量度繼電器因其具有很寬的頻率測量范圍(20Hz～70Hz內(nèi)都能準(zhǔn)確測量)，較高的測量精度及多種保護(hù)功能集于一體的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場合。
　　圖8為本產(chǎn)品應(yīng)用于某柴油發(fā)電機(jī)上用于對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的欠、過壓進(jìn)行保護(hù)的圖。由于柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此要求測量柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓的裝置具有較寬的頻率測量范圍，在本應(yīng)用案例中，柴油發(fā)電機(jī)的欠壓點(diǎn)為230VAC（對(duì)應(yīng)23Hz），額定460VAC（對(duì)應(yīng)50Hz），過壓點(diǎn)530VAC（對(duì)應(yīng)55Hz），而采用的ASJ10-AV3電壓型量度繼電器的測量頻率范圍為20Hz～70Hz，在此頻率范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確測量出電壓值，完全能夠滿足此場合的使用要求。其工作流程為：ASJ10-AV3測量柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓，并將此電壓與預(yù)先設(shè)定的欠壓、過壓值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進(jìn)入故障延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到但故障狀態(tài)未解除則報(bào)警或脫扣繼電器動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)或直接停掉柴油發(fā)電機(jī)，從而起到保護(hù)柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。

圖8　電壓型應(yīng)用圖

　　圖9為本產(chǎn)品應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)上用于對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行保護(hù)的圖。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，常出現(xiàn)的故障主要有過載和斷相，而對(duì)過載的保護(hù)又分為定時(shí)限、反時(shí)限、速斷等多種。在本應(yīng)用案例中，ASJ10-AI3能夠提供欠載、過載（定時(shí)限、反時(shí)限、速斷）、不平衡、斷相等多種保護(hù)功能。其工作流程為：ASJ10-AI3測量電動(dòng)機(jī)供電電路中的電流值，并將此電流值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)測量值超出限值，則進(jìn)入故障延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到但故障狀態(tài)未解除則報(bào)警或脫扣繼電器動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)或斷開接觸器KM使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，從而起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。

圖9　電流型應(yīng)用圖

6　結(jié)語
　　ASJ系列數(shù)字式量度繼電器采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠針對(duì)不同的使用場合提供多種保護(hù)方式，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，是靜態(tài)模擬繼電器的理想替代產(chǎn)品。

　　文章來源于：《現(xiàn)代建筑電氣》2010年11期。

參考文獻(xiàn)
[1] 上海安科瑞電氣有限公司，ASJ系列量度繼電器選型手冊(cè)，2009。
[2] 中國電力出版社，電工與電子技術(shù)，1999。
[3] 任志程，周中，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南，中國電力出版社，2007

作者簡介
姓名：姚波
性別：男
出生年月：81年3月
技術(shù)職務(wù)：助理工程師
工作單位：上海安科瑞電氣股份有限公司
研究方向：低壓電測儀表

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此文關(guān)鍵字：反擊破反擊破碎機(jī) 破碎機(jī) 錘式破碎機(jī) 沖擊式破碎機(jī) 立軸式破碎機(jī) 輸送機(jī) 制砂破碎機(jī) 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī) 振動(dòng)電機(jī) 刮板輸送小型振動(dòng)電機(jī)

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