儀器儀表智能型漏電繼電器的設計

  漏電繼電器是一種可在被保護線(xiàn)路漏電電流達到設定值后切斷被保護線(xiàn)路供電電源的保護裝置，在電力系統中起著(zhù)非常重要的作用，是保證供電可靠性的基礎。隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電力系統的繼電保護突破了傳統的數字式保護繼電器，出現了以微處理器為核心的智能保護繼電器[1-2]。本文利用PIC18F6585型單片機設計了一款智能型漏電繼電器，具有自診斷、故障記錄、數據通信等多種功能，為故障分析提供便利，且具有較高的可靠性。 轉速計| 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計
1 PIC系列單片機特點(diǎn)
PIC18F6585是由Microchip公司開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)的PIC系列單片機，該系列單片機的技術(shù)性能具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]:
(1)哈佛總線(xiàn)結構。PIC系列單片機在架構上采用了與眾不同的哈佛總線(xiàn)結構，在芯片內部將數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離，并且采用不同的寬度，便于實(shí)現指令提取、流水作業(yè)和全部指令的單字節化、單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度，并能確保數據的安全性。
(2)精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)。指令系統只有35條指令，容易學(xué)習、記憶、理解，也給程序的編寫(xiě)、閱讀、調試、修改、交流帶來(lái)了極大的便利，可謂易學(xué)好用。
(3)尋址方式簡(jiǎn)單。只有寄存器間接尋址、立即數尋址、直接尋址和位尋址4種尋址方式，比較容易理解與掌握。
(4)運行速度高。由于采用了哈佛總線(xiàn)結構，指令的讀取和執行采用流水作業(yè)方式，使得運行速度大大提高。PIC系列單片機的運行速度遠遠高于其他相同檔次的單片機，在所有8 bit單片機中，PIC系列單片機是目前世界上運算速度最快的品種之一。
(5)功耗極低。其I/O口驅動(dòng)負載能力較強，每個(gè)端口輸入和輸出電流的最大值可達25 mA，可直接驅動(dòng)LED、光耦或微型繼電器。
(6) PIC18F6585芯片具有ADC、I2C和SPI串行總線(xiàn)端口等，并有外接電路，簡(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)方便，可用C語(yǔ)言編程，程序保密性強等特點(diǎn)。
2 繼電器硬件結構與工作原理
(1)硬件結構
漏電繼電器的CPU中采用了PIC18F6585芯片，漏電信號的檢測由零序電流互感器來(lái)完成，它可將檢測到的被保護線(xiàn)路的漏電電流轉換成毫伏級的交流電壓信號，再通過(guò)信號整流、放大和濾波得到一個(gè)直流電壓，配合相應的控制電路來(lái)驅動(dòng)執行回路，以實(shí)現切斷保護線(xiàn)路供電電源的控制目的。實(shí)現過(guò)程是：信號檢測→濾波→二級放大→控制電路→驅動(dòng)執行回路→切斷被保護線(xiàn)路電源，其硬件結構框圖如圖1所示。

圖1中各部分功能分別為：
①零序電流互感器回路。本裝置的電流互感器采用高性能的坡莫合金作為鐵芯的磁性材料，以確保電流互感器輸出在一定的范圍內具有良好的線(xiàn)性。
②信號處理。影響系統可靠性的因素主要是線(xiàn)路工頻奇數倍諧波電流，故本電路采用一組有源低通濾波器，該濾波器主要濾去奇次諧波交流分量，然后進(jìn)行交直流變換處理，以確保漏電繼電器的正確動(dòng)作。
③CPU。這是本裝置的核心部件，PIC18F6585主要包括FLASHROM、RAM、TM2RX、A/D轉換、串行通信等，是整個(gè)系統的中央處理單元，系統的取指、判斷、執行都由它完成。其中、A/D轉換器為10 bit轉換器，20 MHz主頻時(shí)，其一次轉換時(shí)間為16μs;FlashROM、RAM為存儲空間，用來(lái)存放程序和數據。
④數碼顯示及操作回路。數碼顯示用來(lái)顯示線(xiàn)路漏電流和系統跳閘的延時(shí)時(shí)間，主要由數碼驅動(dòng)電路和LED數顯構成，執行回路主要由led光電隔離及繼電器驅動(dòng)電路構成。
⑤串行通信接口電路。采用MAXIM公司的MAX422擴展出串行通信口。
⑥人機接口電路。人機接口電路主要完成保護整定值及系統延時(shí)跳閘時(shí)間的設定。
⑦電源電路。為單片機系統提供工作電源，其中有一組為隔離電源。
(2)繼電器工作原理
系統開(kāi)機運行后，系統設置TMR0定時(shí)中斷，每2 ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷信號，單片機響應這個(gè)中斷信號，轉入中斷處理子程序。中斷處理子程序判斷是RB口中斷，還是TMR0中斷，然后分別調用定時(shí)中斷 A/D處理子程序或鍵盤(pán)處理子程序。系統把A/D轉換結果與預定的整定值比較，如果大于整定值，則進(jìn)行跳閘、事故報警等處理。所有結果都送主程序顯示。
3 軟件設計
3.1 軟件設計流程圖
本單片機系統采用20 MHz主頻，每1 ms進(jìn)行一次定時(shí)中斷處理，軟件結構簡(jiǎn)單。軟件設計包含主程序、RB口中斷服務(wù)子程序、定時(shí)中服務(wù)子程序、A/D轉換子程序、數據處理子程序、顯示子程序，采用C語(yǔ)言進(jìn)行設計。
(1)系統主程序。主要完成系統的端口、定時(shí)器、A/D轉換器、常量、變量及其他量的初始化工作，同時(shí)完成漏電流循環(huán)顯示工作。主程序流程圖如圖2所示。
(2)中斷服務(wù)子程序。主要根據INTCON寄存器的T0IF位的數據判斷TMR0是否溢出，如溢出則轉入TMR0中斷入口子程序;根據INTCON寄存器的RBIF位的數據判斷RB是否有輸入變化，如變化則轉入鍵盤(pán)中斷入口子程序。中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

(3)定時(shí)中斷服務(wù)子程序及A/D轉換子程序。主要完成A/D轉換任務(wù)，1 ms進(jìn)行1次處理，每回連續6次采樣，采樣結果存入指定內存單元。定時(shí)中斷服務(wù)子程序流程如圖4所示，A/D轉換子程序流程如圖5所示。

(4)數據處理子程序。主要完成數字濾波，提高系統抗干擾性能，求A/D轉換數據平均值，進(jìn)行數據比較，確定是否跳閘與報警等。數據處理子程序流程如圖6所示。

(5)鍵盤(pán)處理子程序。主要為人機對話(huà)提供一個(gè)通道，用于設置保護的保護整定值、延時(shí)跳閘時(shí)間等。
3.2 程序設計
程序采用C語(yǔ)言設計，下面給出A/D轉換子程序和數據處理子程序中的核心語(yǔ)句[4]。
(1)A/D轉換子程序
void DataConv( )
{ int num;
PORT-D=1; //啟動(dòng)A/D轉換
for(num=0;num++;num=6) //采樣6次數據
{ Delay();
adresult[num]=AD; //保存A/D轉換結果至adresult[]
}
PORT-D=0; //停止A/D轉換
}
(2)數據處理子程序
void DataDeal( )
{ int i;
result=0; //保存A/D轉換最終數值
for(i=0;i++;i=6)result=result+adresult[i];
//對A/D轉換結果進(jìn)行數字濾波
result=result/6;
if(result>=raluemax‖result<=raluemin) Alarm( );
//若采樣值大于給定的最大值或小于給定的最小值，則做報警并進(jìn)行故障處理
Display( ); //對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示
}
設計的智能繼電器性能遠遠優(yōu)于傳統的繼電器產(chǎn)品，設計系統以PIC18F6585單片機為核心構成一個(gè)實(shí)時(shí)
數據采集系統，可將采集的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、運算和處理，獲得各種不同的保護特性，易于修改，選擇性和配合性好。集測量、監控和保護于一身，可通過(guò)通信接口與計算機聯(lián)網(wǎng)構成智能化的監控保護與信息管理系統，具有較高的工業(yè)使用價(jià)值。