煤矿供电系统的保护设计软件设计.docx
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煤矿供电系统的保护设计软件设计
摘要
单片微型计算机简称单片机。
它是把组成微型计算机的各功能部件:
中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中,构成一个完整的微型计算机。
单片机主要应用于控制领域,由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点,因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。
煤矿供电系统保护是整个煤矿安全的重要组成部分,做好煤矿供电系统保护工作是做好煤矿安全工作的保障之一,对避免和减少煤矿井下重大安全事故的发生具有十分重要的作用。
在煤矿生产中,井下煤矿的供电系统的保护大多采用继电保护装置,随着计算机技术、微电子技术、信息技术、网络通信技术的不断发展,智能保护系统已经研制成功,这使得使整个系统的可靠性有很大提高,从而保证了生产质量。
关键词:
单片机A\D转换器、D\A转换器
Abstract
Singlechipcomputerchipreferredto.Itiscomposedofthemicrocomputerfunctionalcomponents:
thecentralprocessor,theCPU,randomaccessmemory(ROM,RAMandread-onlymemoryI/Ointerfacecircuit,timer/counterandserialcommunicationinterfacechipinapieceofintegration,constituteacompletemicrocomputer.SCMismainlyappliedtocontrolfield,sinceithashighreliability,smallvolume,lowprice,easytoprodinintelligentinstrument,industrycontrol,real-timeintelligentterminals,communicationequipment,navigation,householdappliancesautomationfieldwidelyused.
Coalisthepowersystemprotectionisanimportantpartofcoalminesafetyincoalpowersystemprotection,readytoworkistheguaranteeofcoalminesafetywork,topreventandreducethecollierysafetyaccidentsofmajorplaysaveryimportantrole.
Incoalmineproductionincoalmine,thepowersystemprotectionrelayprotectiondeviceisusedmostly,alongwiththecomputertechnology,microelectronicstechnology,informationtechnology,networkcommunicationtechnologyunceasingdevelopment,intelligentprotectionsystemhasbeendeveloped,whichmakesthewholeofthereliabilityofthesystemhasgreatlyimproved,soastoensurethequalityofproduction.
Keywords:
MCU;A\Dconverters;D/Aconverter
1绪论
1.1引言
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.2煤矿供电系统保护概述
在煤矿生产中,井下煤矿的电气设备和供电系统的保护大多采用继电保护装置,随着计算机技术、微电子技术、信息技术、网络通信技术的不断发展,智能保护系统已经研制成功,在硬件方面,采用具有强大数据处理能力的DSP微处理器,低功耗可编程逻辑芯片和高集成度的专用芯片,使整个系统的可靠性有很大提高,从而保证了生产质量。
1.2.1井下常用的保护方法
由于井下的环境较特殊,电气设备分为矿用一般型电气设备和矿用隔爆型电气设备,前者不具有防爆性能,适用于没有瓦斯、煤尘爆炸危险的场所;后者具有防爆和隔爆性能,适用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的场所。
同时,电气设备按工作电压高低分为低压电气设备和高压电气设备,井下电气设备大多属一类负荷和二类负荷,工作时的电流、电压都较大,对其保护是保证可靠性工作的关键。
目前,过流保护、漏电保护和接地保护是井下的三大保护。
(1)漏电保护
当电网绝缘电阻小于一定数值时,人触及后会产生触电危险,而且漏电不仅会使设备进一步损坏,形成短路事故,同时还导致人身触电和漏电火花引爆瓦斯、煤尘的危险。
因此在井下供电系统中必须装设漏电保护装置实现绝缘监视、漏电保护以及补偿流过人身的电容电流的作用。
按其实现保护功能分为无选择性漏电保护和有选择性漏电保护
有选择性漏电保护
采用零序电流保护原理。
零序电流信号由零序电流互感器获得。
当未发生漏电时,一次侧三相电流对称,其电流相量和为0,二次侧无电流输出;当发生漏电时,一次侧三相电流不对称,其电流相量和不为0,二次侧有电流输出。
其装置与分路开关配合使用,其优点是减少停电范围,易于查找故障线路,因此被广泛地使用。
无选择性漏电保护
采用附加直流电源的保护原理。
在包含对地绝缘电阻的检测回路中附加直流电源,监视其直流电流的变化,达到监测绝缘电阻的目的。
该装置需与低压自动馈电总开关配合使用。
其缺点是停电范围大,不易判断漏电线路,但结构简单、工作可靠;故仍在使用。
(2)过流保护
电火灾产生的主要原因是电网的过电流,而过电流又是由短路、过载引起的,因此防止电火灾方法就是防止过流的产生。
所以过流保护包括短路保护和过载保护。
(3)过载保护
过载是指电动机的运行电流或电气设备工作电流大于其额定电流,但超过额定电流的倍数小些,通常是额定电流的1.5倍以内。
引起电动机或电气设备过载的原因很多,如负载突然增加,断相运行以及电网电压降低等。
若电动机或电气设备长期过载运行,其绕组或电气设备的温升超过允许值使绝缘老化、损坏。
过载保护的动作时间与过载电流大小有关,其动作值设定小于短路保护的动作值。
动作延时取决于过载程度,过载程度越大,延时越短;过载程度越小,延时越长,此特性称为反时限特性。
延时环节由时间继电器构成,过载时,电流继电器动作,其触点接通时间继电器线圈,经延时后时间继电器触点动作,使执行机构动作,切断主回路电源,同时发出过载信号。
过载保护可由电磁式继电器、电子式继电器和热继电器实现。
(4)短路保护
当电器或线路绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误时将产生短路现象。
短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几到几十倍,使电气设备或配电线路因过流而产生电动力损坏,甚至因电弧引起火灾。
短路保护的动作时间要短,其动作值设定较大,在很短的时间内切断电源。
电磁式继电器和电子式继电器均可实现短路保护。
(5)接地保护
在正常情况下,电气设备的金属外壳及架构不带电,但如果电气设备的绝缘损坏,其金属外壳和架构就要带电。
当人触及此电气设备时就会发生触电事故,而且我国规定触电的安全极限交流电流值为30mA,因此要通过接地保护限制通过人身的电流使其在极限电流之内。
保护接地的关键是将保护接地装置的接地电阻降低到规定的范围内,就可以使流过人体的电流不超过安全极限电流,达到减少触电危险的目的。
1.2.2煤矿供电保护装置
继电保护装置是一种能反应系统故障和不正常状态,并及时动作于断路器跳闸或发出信号的自动化设备。
熔断器、继电器和接触器等都可以用于保护装置,但由于煤矿系统中正常工作电流和短路电流不断增大,熔断器已不能满足选择性和快速性的要求,继电器和接触器是目前应用较广泛的保护装置。
继电保护装置分类繁多其基本结构主要包括以下几部分。
(1)现场信号输入装置
现场信号送入继电保护装置一般要进行必要的前置处理,如采用光电隔离技术,消除干扰信号;电平转换电路使低信号变为强信号易于处理;低通波除高频信号及纹波电压等,使继电器能有效地检测各现场物理量。
(2)测量装置
它是检测经现场信号输入电路处理后与被保护对象有关的物理量,并与已给定的设定值或自动实时生成的判据进行比较,根据比较结果给出“是”或“非”,即“0”或“1”性质的一组逻辑信号或电平信号,经判断确定保护是否启动。
(3)逻辑判断装置
它是根据测量部分各输出量的大小、性质、逻辑状态、输出顺序等信息,按一定的逻辑关系组合、运算,最后确定是否应该是断路器跳闸或发出信号,并将有关命令传给执行部分。
常用的逻辑一般有“与”、“或”、“非”、“延时”、“记忆”等功能。
(4)执行装置
它是根据逻辑判断部分送来的出口信号,完成保护装置的最终任务,主要负责保护装置与现场设备的隔离、连接、电平转换、出口跳闸的功率驱动,以及现场设备状态信息的返回等,以使继电保护装置能可靠地工作:
电气设备和电力设备发生故障时跳闸,不正常运行时发出信号,正常时不动作的理想状态。
1.2.3欠压和过压
对所有的电器设备而言,都有一个额定电压,但在实际中,不能完全保证在额定电压下工作,是在额定电压附近的一个范围,一般要求在±15%。
为了保护电器设备和工艺质量,如果低于-15%这个电压,就是“欠压”,当工作电压下降到这个电压以下,保护动作,切断电源。
相反,如果高于+15%这个电压,就是“过压”,保护也动作切断电源。
当然,在不同场合使用的电器,这个电压要求略有不同,但保护原理是一致的。
1.2.4漏电保护
当被保护线路的相线直接或通过非预期负载对大地接通,而产生近似正弦波形并且其有效值是缓慢变化的剩余电流,当该电流大于一定数值时,保护器切断该线路。
漏电保护器俗称漏电开关,是用于在电路或电器绝缘受损发生对地短路时防人身触电和电气火灾的保护电器,一般安装于每户配电箱的插座回路上和全楼总配电箱的电源进线上,后者专用于防电气火灾。
其适用范围是交流50HZ额定电压380伏,额定电流至250安。
低压配电系统中设漏电保护器是防止人身触电事故的有效措施之一,也是防止因漏电引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。
但安装漏电保护器后并不等于绝对安全,运行中仍应以预防为主,并应同时采取其他防止触电和电气设备损坏事故的技术措施。
1.2.5过载保护
防止主电源线路因过载导致保护器过热损坏而加装的过载保护设备。
电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量,称为安全载流量或安全电流。
如导线流过的电流超过了安全载流量,就叫导线过载。
一般导线最高允许工作温度为65°C。
过载时,温度超过该温度,会使绝缘迅速老化甚至于线路燃烧。
在机械中,在轴超过所能承受的负载时,过载保护可以防止过载而造成的器械损坏。
发生过载的主要原因:
(1)有导线截面选择不当,实际负载已超过了导线的安全电流;
(2)还有“小马拉大车”现象,即在线路中接入了过多的大功率设备,超过了配电线路的负载能力。
在重要的物资仓库、居住场所和公共建筑物中的照明线路,有可能引起导线或电缆长时间过载的动力线路,以及采用有延烧性护套的绝缘导线敷设在可燃或难烧建筑构件上时,都应采取过载保护线路.
1.2.6短路保护
短路保护就是保证当发生短路时,或接近于短路电流数值的电流出现时可以可靠地切断电源。
电源的保护功能主要是过压、过流保护两种功能。
过流保护与短路保护的的关系为:
任何一种电源在发生故障时,都有可能使输出电压或输出电流失去控制,为了使用户的负载不致因此而损坏,我公司的电源一般都设有过压和过流保护。
有些负载如阻性负载,当电源有故障,负载上的电压有可能大幅上升,而电流的上升值不一定能超过过流保护值。
此种情况宜用过压保护,例如工作在50V,可将电压保护值调至55V,如果电源故障只要电压升至55V时,电源会自动切断电压输出。
当有些负载是容性负载时,由于大容量的电解电容器并联在一起,当
电源发生故障时,电流就可能大幅度上升,而电压的升值却不甚明显,这时电源内部的过流保护部件会首先启动,电源会自动切断输出。
过压保护值在面板上有一只电位器,可以人工设定。
而过流保护值是不能人工设定的,机内巳经定死,一般为额定电流的1.2~1.5倍。
需要说明的是,过压保护会立即快速启动,过流保护则有一秒左右的延时。
这是因为如电源正常工作时,如电源的负载发生突然短路,此时电源输出的瞬间电流是数倍或数十倍的额定电流值,可以认为是一个电流冲击,远远超过过流保护的数值,但这时并不希望过流保护起作用。
而希望短路解除后,电压自动恢复正常。
因此在设计过流保护时,要避开突发短路时的电流冲击,而仅考虑使输出过电流的时长达到一定的值才启动过流保护。
过压、过流保护是针对机内故障的,因此既然发生,电源就不应自动恢复。
如果一定要再现,必须关机后重新开机。
而短路保护、电流报警、短路报警功能是面对用户的,如果电流巳经下降,短路巳经排除,相对的报警声就会自动解除,电压就会自动恢复正常。
1.2.7绝缘监视
对未接地电网络,如例如DC和/或AC网络的绝缘监视方法和设备,其中存在包括网络和地之间不可避免的欧姆性和电容性绝缘电阻的绝缘阻抗,特别是这种带有被连接的整流器和/或其他转换器的网络。
脉冲电压形式的测量电压被施加到网络和地之间要被监视的网络。
一开始,偏置DC电压被施加并被调节直到要被监视的网络所固有的可能DC电压被补偿。
所述测量电压的电压脉冲被施加到网络和地之间的所述网络,且所得到的电流或者从其得出的变量被监视直到预定阶段被达到,例如基本上平稳的值。
所述所得到的电流或者从其得出的变量的值在该阶段被确定,且被用于建立对网络的绝缘阻抗的评估。
1.3软件设计要求及特点
在设计过程中我们采用了软件和硬件双结合的的设计方法,而软件的设计简化了硬件要求。
在本设计中软件主要有五个方面的应用,它们分别为:
数据采集程序,AD转换程序,LCD液晶显示程序和DA转换程序。
数据采集主要完成电压、电流信号的采集和数据的处理,AD转换则是把互感器采集来的模拟信号转换为单片机能够识别的数字信号、显示则是提供错误提示,DA转换则是把单片机发出的数字控制信号转换为模拟信号,来控制继电保护设备动作,达到保护电路上供电设备以及保护电路安全运行的功能。
程序编写时,首先需对用到的参数进行定义,和标号的定义一样,使用的字符必须易于理解,可以使用英文单词和汉语拼音的缩写形式,这对今后自己的辨读和排错都是有好处的。
然后初始化各特殊功能寄存器的状态,中断口的地址区定义,数据存储区的安排,根据系统的具体情况,估算中断、子程序的使用情况,预留出堆栈区,和需要的数据缓存区,接下来就开始编写程序了。
现在的单片机程序还是以汇编语言为主,因为它以简洁、直观、紧凑仍被设计人员乐于接受。
高级语言(如C语言)也在单片机设计中发挥越来越重要的角色,性能也越来越好,但不管是使用何种语言,最终还是需要汇编成机器语言,调试正常后,通过烧录器固化到单片机或ROM中。
1.4单片机的概述和发展
近十几年来,单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点,因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。
近几年来,单片机的发展更为迅速,它已渗透到诸多学科的领域,以及人们生活的各个方面。
单片机不求规模大,只求小而全。
厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口。
在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构,故称之为单片机
MCS-51系列中的一片8751芯片,内部构造了完整的计算机硬件系统。
从CPU、存储器到输入输出端口,一应俱全。
只要写入程序,就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机,MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能,具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz,完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能,可作为多机系统中的一个子系统。
近年来,在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词,我国译为"机电一体化"。
这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。
机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。
同时追求体积小、价格低,甚至低功耗等。
正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。
单片机出现的历史并不长,它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步,也经历了四个阶段。
第一阶段:
1971~1974年,4位微处理器工intel4004及8位微处理器工intel8008,这些计算机价格便宜、功能有限,只用于消耗类电子产品。
第二阶段:
1974~1978年,初级单片机阶段,以工intel公司的MCS-48为代表,8位单片机。
第三阶段:
1978~1983年,高性能单片机阶段。
以工Intel公司的MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。
这一阶段推出的单片机普遍带有串行口,有多级中断处理系统、16位定时器/计数器,有的片内还带有A/D转换器接口,片内RAM,ROM容量加大,寻址范围可达64K字节。
广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。
第四阶段:
1983年至今,8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。
例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。
MCS-96集成度为12万只品体管/片,寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等,另外MCS-96指令能处理位、字节、字,有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令,一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。
单片机己经进入一个崭新的阶段。
步进电动机上个世纪就出现了,它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别,也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。
80年代以后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。
原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路,不利于系统的改进升级。
基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机,能够更好地发挥步进电机的潜力,因此,用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势,也符合数字化的时代发展要求。
步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。
早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件,通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。
由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列,轮流与直流电源接通后,就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场,使转子步进式的转动,随着接通切换频率的增高,转速就会增大。
步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关,现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。
它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中,因为步进电机不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以被认为是理想的数控机床的执行元件。
早期的步进电机输出转矩比较小,无法满足需要,在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。
随着步进电动机技术的发展,步进电动机已经能够单独在系统上进行使用,成为了不可替代的执行元件。
比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机,在这个应用中,步进电动机可以同时完成两个工作,其一是传递转矩,其二是传递信息。
步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。
除了在数控机床上的应用,步进电机也应用在其他方面,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中等等。
微电子技术的飞速发展,带动了机械加工技术的飞速发展。
而在其发展过程中,最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。
随着现代电子科学的不断发展与进步,电子计算机已深深介入机械制造的各个领域,诞生了一系列机、电、计算机一体化的新产品。
同时微电子技术的不断发展,数控系统也在不断地更新换代,先后经历了电子管(1952年)、晶体管(1959年)、小规模集成电路(1965年)、大规模集成电路及小型计算机(1970年)和微处理机或微型计算机(1974年)等五代数控系统。
前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线(硬线)数控系统,一般称为普通数控系统,简称NC。
70年代初,随着计算机技术的发展,使小型计算机的价格急剧下降,采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统,不仅在经济上更为合算,而且许多功能可用编制的专用程序来实现,将它存储在小型计算机的存储器中,构成所谓控制软件,提高了系统的可靠性和功能特色。
这种数控系统又称为软接线(软线)数控,即计算机数控系统,简称CNC。
1974年制成以微处理机为核心的数控系统,称为第五代微型机数控系统,简称MNC。
随着机电产品对负载精度要求的提高,原有的PLC控制系统的步进电机已很难满足不断发展的机电产品的要求。
PLC控制系统的步进电机存在成本高,工作方式单一和人机交互不便等缺点。
为解决此问题,我们研制了一种能代替PLC控制系统的新的控制系统---基于单片机的步进电机控制系统。
本文论述了基于单片机的步进电机控制系统的设计方法和研制过程,包括:
硬件设计、软件设计、可靠性设计等方面。
硬件电路用凌阳16位SPCE061A单片机、先进的接口技术和大规模集成电路设计而成。
软件程序用SPCE061A汇编语言写成。
1.5煤矿供电系统保护框图
图1-1系统框图
2控制系统相关软件的设计
2.1方案简介
本软件设计是通过针对硬件电路的设计方案,来配合其各个部件的协调运行,来实现最终的供电保护的目的。
采集来的电压数据经A\D转换后在单片机内与设定的初始值进行比较处理,把处理完的结果用液晶显示屏显示出来,并且根据结果发出相应的控制信号。
本设计数据的采集主要是通过互感器,互感器采集的来的数据经过整流和滤波后暂放在采样保持器中,单片机通过P0口发出脉冲信号是A\D转换器开始转换数据,待数据转换后单片机进行处理,把处理结果显示出来并通过D\A转换后发出信号做出相应的动作。
2.2汇编语言简介
汇编语言(Assemb
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
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- 煤矿 供电系统 保护 设计 软件设计
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