基于CAN總線的異步電動機(jī)保護(hù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)

基于CAN總線的異步電動機(jī)保護(hù)及在線監(jiān)測系統(tǒng) 
1.異步電動機(jī)保護(hù)及監(jiān)測的現(xiàn)狀 
　　異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、它的機(jī)械特性能滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的要注，因
此在軋鋼、礦山機(jī)械、機(jī)床、水泵等工礦行業(yè)中廣泛使用，且重要程度日益加強(qiáng)，隨著
保護(hù)裝置由機(jī)電式向微機(jī)型的過渡，保護(hù)裝置本身的自動化性能也越來越高，但也存在
一些不足，在異步電動機(jī)用量最大的工礦企業(yè)中，電動機(jī)的分布是按照工序的要求而散
布在整個廠區(qū)內(nèi)，且保護(hù)裝置也是單臺獨(dú)立運(yùn)行，在電動機(jī)的總數(shù)不多的情況下尚可解
決，如果數(shù)量較大則需耗用大量的人力和物力，而且各類電動機(jī)內(nèi)部繞組故障，如匝間
短路，單相（兩相）接地等，一役是由于環(huán)境較差，長期運(yùn)行不當(dāng)?shù)仍�因引起的，超�?br />這類故障的表現(xiàn)往往是局部的，小電流的，不易監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)，即使由人工將各臺電動機(jī)
的運(yùn)行數(shù)據(jù)全部采集整理，而隨后從大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理中得到及時，準(zhǔn)確和全面的分析
結(jié)果也是相當(dāng)困難的。 

2.保護(hù)及在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成 
　　隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信的不斷發(fā)展，使得自動化裝置之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換也日益普
遍和重要。目前大多數(shù)的自動化裝置間采用RS-232、RS-422、RS-485等通信方式，這方
式的低數(shù)據(jù)傳輸率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，以及在最低層上的星型拓?fù)涠歼m應(yīng)工業(yè)現(xiàn)
場控制的復(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用。如果采用LAN組件及環(huán)型或總線拓?fù)�，其系統(tǒng)造價偏高。 

　　現(xiàn)場總線（Field　Bus）的發(fā)展解決了能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和費(fèi)用之間的矛盾，尤
其是CAN總線的出現(xiàn)，其誤碼率<10-11，最高速率可高達(dá)1Mbps，通信距離最遠(yuǎn)可到10km
通信介質(zhì)僅為屏蔽雙絞線并且穩(wěn)定可靠。它是一種非常適合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的通信方
式。本文闡述的是一種最基本也是最簡單的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

 

　　處于工作現(xiàn)場的電動機(jī)保護(hù)除了電動機(jī)實時保護(hù)外,還承擔(dān)著CAN網(wǎng)絡(luò)通信的功能。
因此現(xiàn)在保護(hù)裝置中采用集成了CAN控制器和接口的微處理芯片87C196CA,可省略專用的
CAN控制器和接口器件并提高系統(tǒng)的可靠性。 

　　87C196CA是INTEL MCS96系列的新成員,是帶有集成CAN2.0的16AMHz16位CHMOS微控
制器。它在片內(nèi)集32KEPROM，1K的寄存器,256bit附加RAM。它支持高速串行通信協(xié)議
UN2.0,具有8字節(jié)數(shù)據(jù)長度的15個報文目標(biāo),其TXCAN和RXCAN兩個引腳可直接掛在總線上
進(jìn)行通信。在應(yīng)用程序的編寫上,它和80C196KC無大的區(qū)別,多數(shù)程序都可移植,只需編
寫相應(yīng)的CAN總線數(shù)據(jù)通信部分。以87C196CA為控制器的保護(hù)及監(jiān)測裝置單元硬件構(gòu)成
如圖2所示。 

 

　　保護(hù)單元裝置的核心部分即為87C196CA,它的運(yùn)算速度快,數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),能勝任
較復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。A/D變換器采用內(nèi)帶采樣保持器的超高速12位A/D芯片MAXIM122。
電流、電壓信號經(jīng)I/V、V/V中間變換器形成適合計算機(jī)處理的電壓信號,通過低通濾波
器單元IP后接至多路開關(guān),在CPU控制下依次將各路信號接人,并A/D轉(zhuǎn)換,再對采人的數(shù)
據(jù)進(jìn)行計算,將計算結(jié)果與設(shè)定值比較,決定作出相應(yīng)的動作。為了盡量減少占用87C196CA
的處理時間,將監(jiān)測用的數(shù)據(jù)采集到一定數(shù)量后,在保護(hù)程序的運(yùn)行空閑時間內(nèi),以原始
的采樣值通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線傳輸?shù)胶笈_機(jī),以供計算和分析。 
　　(2)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 
　　總線的傳輸介質(zhì)采用普通的屏蔽雙絞線即可,如需進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力,還
可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離,電源采用DC-DC變換器等措施。 
　�。�3)后臺處理系統(tǒng)構(gòu)成 

　　后臺處理系統(tǒng)由含CAN適配卡的工控機(jī)和后臺數(shù)據(jù)處理程序組成。通常適配卡電路
分為雙口RAM及其控制電路、中斷申請與控制電路和內(nèi)含CAN控制器的MCU80C592三部分。
最后一部分也可由80C31加82C200CAN控制器構(gòu)成。為提高數(shù)據(jù)交換量，雙口RAM彩62256，
其容量為32K字節(jié)。工控機(jī)與MCU80C592通過雙口RAM控制電路62256進(jìn)行操作，工控機(jī)對
雙口RAM空閑狀態(tài)下，將數(shù)據(jù)和命令寫入62256，然后通過中斷管理電路通知MCU80C592，
80C592按照命令執(zhí)行相應(yīng)操作。當(dāng)80C592收到下位節(jié)點的數(shù)據(jù)和命令時，在獲得雙口
RAM控制權(quán)后，將其寫入62256，再通過中斷邏輯知工控機(jī)取走數(shù)據(jù)和命令，如圖3所示： 

 

　　該方案由于使用大容量雙口RAM,使大量的數(shù)據(jù)交換變得較為便捷,加之上位機(jī)的寄
存器映像的讀寫方式,使數(shù)據(jù)交換速度大大提高。另外,由于MCU負(fù)責(zé)管理與下位節(jié)點的
數(shù)據(jù)交換,然后再一次性地與工控機(jī)交換數(shù)據(jù),節(jié)省了工控機(jī)的占用時間。通常適配卡可
在市面上整體購得。在軟件設(shè)計中,需編寫工控機(jī)與MCU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)更換的程序和MCU
與下位節(jié)點間數(shù)據(jù)交換的程序。 

　　后臺數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)對整個CAN總線進(jìn)行監(jiān)視管理,具有系統(tǒng)參數(shù)(如波特率、輸
出控制、報文標(biāo)識與屏蔽等)設(shè)置、監(jiān)視狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)請求、本機(jī)狀態(tài)查
詢、節(jié)點狀態(tài)查詢、中斷接收數(shù)據(jù)管理、對接收的電動機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析等功能。
該程序采用VISUAL C+ +編寫,有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能,方便操作人員使用。 

3.系統(tǒng)功能 

　　(1)保護(hù)功能。異步電動機(jī)保護(hù)部分實現(xiàn)對電動機(jī)的綜合保護(hù),其具體的功能有接
地保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、不平衡過負(fù)荷保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、低電壓
和過電壓保護(hù)。當(dāng)電動機(jī)正常工作時,其監(jiān)視的電流和電壓信號通過面板上的液晶顯示
屏顯示出來,以便就地觀察,并且在微處理器空閑時定時地將采得電流和電壓信號通過
CAN總線傳送至后臺機(jī)。有故障時保護(hù)裝置迅速動作,并且就地保存故障類型和時間以及
其他電動機(jī)運(yùn)行參數(shù),隨后通過CANBUS網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)方后臺機(jī)報告。 

　　(2)在線監(jiān)測功能部分。后臺機(jī)憑借其強(qiáng)大的功能完成保護(hù)參數(shù)的管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)
的處理。 
　　　1)保護(hù)參數(shù)的管理:在控制室內(nèi)對所有保護(hù)裝上的各種保護(hù)整定數(shù)據(jù)的調(diào)閱、修
改和整定。 
　　　根據(jù)電動機(jī)的實際工作狀態(tài),例如環(huán)境溫度的高低、工作時間的長短、起動頻率
等進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整,使其能方便適應(yīng)多種工作方式。 
　　　實時掌握保護(hù)裝置單元自身的工作狀態(tài),如有異常,通報運(yùn)行人員。 
　　　2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理:從采集來的電壓、電流信號中,分析隱含在其中的各種信息,
并作出其發(fā)展方向的預(yù)測。 
　　　①三相運(yùn)行電流、電壓的監(jiān)測。運(yùn)行人員可直觀地觀察電動機(jī)的機(jī)械負(fù)載輕重
和供電電源的電壓質(zhì)量。 
　　�、诹阈螂娏鞯谋O(jiān)測。零序電流的大小往往反映繞組對地絕緣的狀況,監(jiān)視它能較
早地防止接地故障。 
　　�、圬�(fù)序電流的監(jiān)測。負(fù)序電流的大小反映繞組相間絕緣的狀況和三相電源的平
衡程度,監(jiān)視它能較早地防止相間短路。 
　　�、苓^熱保護(hù)的后備保護(hù);通過電流、電壓中序分量的計算也可對電動機(jī)的發(fā)熱狀
態(tài)進(jìn)行模擬,以實現(xiàn)過熱后備保護(hù)。 
　　�、莨β始肮β室驍�(shù)的監(jiān)測。通過電動機(jī)運(yùn)行功率的記錄,為運(yùn)行人員提供其出力
狀況和效率參數(shù),以便合理地安排電動機(jī)的工作計劃;實時得到的功率參數(shù),為電動機(jī)的
元功就地動態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)。 
　　�、扌畔⒐芾�。對眾多的電動機(jī)建立設(shè)備信息庫,記錄各臺電動機(jī)的二號、運(yùn)行方
式和歷史維護(hù)記錄等,并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)提示狀態(tài)檢修。 
　　�、邤�(shù)據(jù)通訊。將異步電動機(jī)保護(hù)及監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至廠內(nèi)的綜合自動化網(wǎng)絡(luò)。 
　　(3)在線參數(shù)辯識功能。在電動機(jī)的出線端加大擾動或小擾動,可實現(xiàn)離線或在線
的參數(shù)辨識。從一般化電動機(jī)模型中可推導(dǎo)出作為異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的派克方程。
由于異步電動機(jī)的暫態(tài)過程很短,將其略去后方程組將是三階微分方程組。在選取e'd,
d'q,wr為狀態(tài)量后可得相應(yīng)的狀態(tài)方程、輸出方程和穩(wěn)態(tài)約束方程,為了計算方便,取
電壓向量作為參考量,利用CAN系統(tǒng)采集擾動后的三相電壓和電流信號,算出p、Q、id、
iq,U和f,然后LSE估算程序計算出電動機(jī)本身的R1、X1、 R’1、X’1、Rm和Xm等參數(shù).
如果這些參數(shù)比正常狀態(tài)有了大的變化,則可為故障診斷提供依據(jù)。 

4.結(jié)論 
　　本文所敘述的系統(tǒng)伽總線連網(wǎng)方式比以往其他通信村更加經(jīng)濟(jì),方便而且可靠。在
此網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的保護(hù)比單臺運(yùn)行更加可靠,靈活方便,而且具有更強(qiáng)的在線監(jiān)測及管理
功能。本系統(tǒng)不僅可獨(dú)立運(yùn)行,并且可作為一個子系統(tǒng)接人工廠已有的自動化網(wǎng)絡(luò)中。
這是一種較適合目前工廠實際的異步電動機(jī)保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)。 

——重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 熊小伏 葉有名 劉瑋