Silnik jest najważniejszym źródłem napędu w dziedzinie produkcji przemysłowej. Jak skutecznie monitorować stan pracy silnika, chronić obwód silnika, poprawiać czas pracy silnika, redukować usterkę silnika i ma krytyczne znaczenie dla działania całej sieci elektrowni.
Istnieje wiele rodzajów urządzeń zabezpieczających silnik. Obecnie jest on częściej stosowany w oparciu o mechaniczne przekaźniki termiczne płytkowe. Ma prostą strukturę i ma odwrotne charakterystyki czasowe w zabezpieczaniu przeciążenia silnika. Ma jednak mniej funkcji zabezpieczających, brak zabezpieczenia przed zanikiem fazy i nie może chronić silnika przed słabą wentylacją, szczotkowaniem, przeciąganiem, długotrwałym przeciążeniem, częstym uruchomieniem itp. Ponadto przekaźnik termiczny ma również wady, takie jak niska powtarzalność, duże przeciążenie prądowe lub zwarcie, nie mogą być ponownie użyte, duży błąd regulacji, łatwo wpływać na temperaturę otoczenia, złe ruchy lub odmowę, duże zużycie energii, materiały eksploatacyjne i słabe wskaźniki wydajności.
W odpowiedzi na krajowe wymogi dotyczące oszczędności energii i redukcji emisji, zastosowanie elektronicznych zabezpieczeń silników opartych na mikrokontrolerach w celu zastąpienia istniejących przekaźników termicznych ma szeroki rynek. Układ ARM STM32 ze zintegrowanymi bogatymi urządzeniami peryferyjnymi został zaprojektowany jako rdzeń inteligentnego zabezpieczenia silnika, który ma zalety szybkiej reakcji, mniej dodatkowych chipów, prostego debugowania produkcji, wysokiej produkcji i korzyści społecznych.
1 inteligentna funkcja ochronna i architektura sprzętowa
Główne awarie w działaniu silnika obejmują: czas oczekiwania, przeciążenie, przeciągnięcie, zanik fazy, niewyważenie, przegrzanie, niedociążenie, przepięcie, podnapięcie itp. Dlatego też inteligentne zabezpieczenie musi monitorować napięcie robocze, prąd roboczy i temperaturę podwozia silnika .
Jednocześnie, ze względu na różne typy, pojemności i typy obciążenia silnika, parametry zabezpieczenia silnika są również różne, dlatego konieczne jest ustawienie parametrów zabezpieczeń dla różnych silników.
Ponadto, aby inteligentne przekaźniki zabezpieczające mogły spełniać potrzeby popularnego obecnie inteligentnego centrum sterowania silnikiem (IMCC), inteligentne ochraniacze silnika muszą również posiadać funkcje komunikacji sieciowej.
Rysunek 1 przedstawia schemat blokowy struktury sprzętowej inteligentnego zabezpieczenia silnika.
2 projekt sprzętu systemowego
2.1 MCU
MCU jest rdzeniem ochraniacza silnika i odpowiada za zbieranie danych, przetwarzanie danych, sterowanie wyjściami i ustawianie parametrów. Oto najnowszy chip STM32F103xD serii ST ARM.
Ta seria układów wykorzystuje rdzeń 32-bitowy ARM C0rtex M3 jako rdzeń, a najwyższa częstotliwość to 72 MHz. Rdzeń Cortex ma jednostopniowy moduł mnożenia i dzielenia, więc jest odpowiedni do szybkiego przetwarzania danych.
Układ ma trzy niezależne cykle konwersji, co najmniej 1 s szybki konwerter analogowo-cyfrowy i trzy niezależne przetworniki cyfrowo-analogowe z oddzielnymi obwodami próbkowania i podtrzymania, dzięki czemu nadaje się szczególnie do silników trójfazowych kontrola, monitoring sieci i instrumenty wieloparametrowe. Wykorzystanie sprzętu.
Chip jest również wyposażony w bogatą jednostkę komunikacyjną, w tym do pięciu asynchronicznych interfejsów szeregowych, jednego urządzenia USB slave, jednego urządzenia CAN, I2C i SPI.
2.2 Moduł akwizycji analogowej
Zabezpieczenie silnika wymaga przede wszystkim zebrania trzech analogowych wielkości prądu, napięcia i temperatury w celu monitorowania i ochrony stanu pracy silnika.
Istnieje wiele rodzajów czujników prądu, w tym transformatory prądu rdzenia, czujniki Halla i rezystory bocznikowe. Silnik połączony z ochroną silnika ma głównie silnik o mocy kilku kilowatów do kilkudziesięciu kilowatów, więc prąd fazowy silnika wynosi głównie od kilku amperów do kilkudziesięciu amperów. Dlatego transformator prądowy jest wykorzystywany jako aktualna jednostka zbierająca, która ma zalety szerokiego zakresu pomiarowego, małego wytwarzania ciepła i wysokiego napięcia izolacyjnego. Jednocześnie, bez zmiany parametrów obwodu przetwarzania, czujnik prądu o różnych stosunkach może z łatwością zmienić zakres wykrywania prądu osłony silnika, dzięki czemu można go wygodnie stosować do ochrony silnika o większej pojemności.
Napięcie jest uzyskiwane bezpośrednio przez dzielnik rezystora, więc cały sterownik silnika jest wspólnym systemem. Rezystor wykorzystuje rezystor o wysokiej impedancji i wysokim napięciu. Aby poprawić zdolność przepięciową obwodu pobierania napięcia, obwód dzielnika napięcia wykorzystuje serię wielu rezystorów, aby zmniejszyć spadek napięcia znamionowego na każdym rezystorze i poprawić całą gałąź. Najwyższe napięcie wytrzymałe.
Czujnik temperatury wykorzystuje wspólny platynowy czujnik rezystancyjny lub termistor NTC, a odpowiedni obwód kondycjonowania sygnału rezystancyjnego termicznego jest zaprojektowany na osprzęcie protektora. Ponieważ opór cieplny jest urządzeniem nieliniowym, kanał przetwarzania pozyskiwania temperatury musi być przetwarzany nieliniowo. W celu zmniejszenia złożoności obwodu sprzętowego, jednostka kondycjonująca RTD jest zaprojektowana tylko do użycia wzmacniacza pomiarowego, a nieliniowa obróbka RTD jest wykonywana przez MCU. wykonać. Istnieje również półprzewodnikowy czujnik temperatury wbudowany w mikroukład MCU, który wykrywa temperaturę wewnątrz ochraniacza, aby zapobiec błędom sterowania spowodowanym przegrzaniem systemu.
2.3 Wyświetlacz LCD
W przypadku samodzielnego zabezpieczenia silnika konieczne jest ustawienie parametrów ochrony, wyświetlanie aktualnego stanu pracy, a także wyświetlenie typu błędu w przypadku wystąpienia usterki. Dlatego też zabezpieczenie silnika wymaga wyświetlacza.
W projekcie systemu zastosowano matrycę czarno-białego wyświetlacza ciekłokrystalicznego (LCD) STN. W porównaniu z kolorowym modułem TFT LCD ma on zalety szerokiego zakresu temperatur, długiej żywotności i czytelności przy silnym oświetleniu.
Wbudowany kontroler modułu LCD wykorzystuje równoległy interfejs komunikacji danych, w tym magistralę danych, linie sterujące odczytem i zapisem, sygnały urządzenia i szpilki resetujące. W projekcie systemu, wielofunkcyjny kontroler pamięci statycznej (FSMC) z wykorzystaniem układu STM32F103xD jest podłączony do modułu LCD.
Moduł FSMC układu STM32F to wielofunkcyjny kontroler pamięci statycznej obsługujący pamięć statyczną (SRAM), NOR F1ash i PSRAM. Może obsługiwać pamięć 8-bitową lub 16-bitową.
Czas dostępu modułu LCD jest taki sam, jak w przypadku SRAM, a czas interfejsu dla typu 8080 lub 6800 może być wybrany przez pin konfiguracji. Rysunek 2 pokazuje połączenie elektryczne między interfejsem FSMC układu STM32 a wyświetlaczem LCD. Na wyświetlaczu LCD znajduje się taktowanie interfejsu 8080.
2.4 Obwód komunikacyjny
Struktura sterowania Intelligent Motor Control Center (IMCC) jest głównie rozproszoną strukturą sieci typu autobusowego, w której centralny sterownik odpowiada za planowanie i monitorowanie pracy wszystkich silników. W zależności od używanego sterownika centralnego (głównie PLC), protokoły komunikacyjne systemu to MODBUS, Fieldbus i Ethernet. Najczęściej spotykany jest protokół MODBUS. Fizyczna warstwa protokołu MODBUS to półdupleksowa sieć komunikacyjna oparta na RS485, w której zabezpieczenie silnika znajduje się w stanie slave.
Ponieważ zabezpieczenie silnika jest wewnętrznie ogrzewane, zdalna komunikacja RS485 musi być odizolowana od głównego obwodu sterownika. W celu odizolowania transceivera RS485, sygnał komunikacyjny i zasilanie transceivera muszą być odizolowane. Konstrukcja interfejsu komunikacyjnego zabezpieczenia silnika wymaga szybkości transmisji komunikatów do 57,6 Kb / s. Dlatego do izolowania sygnałów komunikacyjnych potrzebne są szybkie transoptory optyczne lub cyfrowe układy izolujące.
Cyfrowy układ izolacyjny to nowy typ urządzenia. Firmy takie jak TI, ADI i Silicon Lab wprowadziły własne opatentowane cyfrowe urządzenia izolujące, ale pakiety pinów i funkcje pinów każdego układu są w większości kompatybilne i mogą być bezpośrednio zastąpione. W porównaniu do tradycyjnych szybkich transoptorów, cyfrowe urządzenia izolujące mają zalety niskiego zużycia energii, dużej szybkości transmisji, kompatybilności z systemami 3V / 5V i prostych urządzeń peryferyjnych. Rzeczywisty układ połączeń pokazano na rysunku 3.
