基于CAN总线的异步电动机保护

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　　1、异步电动机保护及监测的现状
　　异步电动机结构简单、成本低廉、它的机械特性能满足大多数生产机械的要求，因此在轧钢、矿山机械、机床、水泵等工矿行业中广泛使用，且重要程度日益加强。随着保护装置由机电式向微机型的过渡，保护装置本身的自动化性能也越来越高，但也存在一些不足。在异步电动机用量最大的工矿企业中，电动机的分布是按照工序的要求而散布在整个厂区内，且保护装置也是单台独立运行，这使得电动机保护装置的整定和运行管理必须由操作人员就地进行，在电动机的总数不多的情况下尚可解决，如果数量较大则需耗用大量的人力和物力。而且各类电动机内部绕组故障，如匝间短路，单相(两相)接地等，一般是由于环境较差、长期运行不当等原因引起的，起初这类故障的表现往往是局部的，小电流的，不易监测和发现。即使由人工将各台电动机的运行数据全部采集整理，而随后从大规模的数据处理中得到及时、准确和全面的分析结果也是相当困难的。
　　2、保护及在线监测系统构成
; F2 ]) _0 d/ G3 K+ ^　　随着电子技术和网络通信的不断发展，使得自动化装置之间进行数据交换也日益普遍和重要。目前大多数的自动化装置间采用RS_232、RS_422、RS_485等通信方式，这些方式的低数据传输率和点对点的数据传输标准，以及在最低层上的星型拓扑都不适应工业现场控制的复杂或大规模应用。如果采用LAN组件及环型或总线拓扑，其系统造价偏高。
　　现场总线(Field Bus)的发展解决了能经受工业现场环境和费用之间的矛盾，尤其是CAN总线的出现，其误码率＜10～11，最高速率可高达1Mbps，通信距离最远可到10km，通信介质仅为屏蔽双绞线并且稳定可靠。它是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。本文阐述的图1所示。

　　(1)装置单元构成
: A& L; t  W$ S' }5 ]. e3 L  k& B　　处于工作现场的电动机保护除了电动机实时保护外，还承担着CAN网络通信的功能。因此现在保护装置中采用集成了CAN控制器和接口的微处理芯片87C196CA，可省略专用的CAN控制器和接口器件并提高系统的可靠性。
　　87C196CA是INTEL MCS96系列的新成员，是带有集成CAN2?0的16MHz 16位CHMOS微控制器。它在片内集成有32KEPROM，1K的寄存器，256bit附加RAM。它支持高速串行通信协议CAN2.0，具有8字节数据长度的15个报文目标，其TXCAN和RXCAN两个引脚可直接挂在总线上进行通信。在应用程序的编写上，它和80C196KC无大的区别，多数程序都可移植，只需编写相应的CAN总线数据通信部分。以87C196CA为控制器的保护及监测装置单元硬件构成如图2所示。
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　　保护单元装置的核心部分即为87C196CA，它的运算速度快，数据处理能力强，能胜任较复杂的数据运算。A/D变换器采用内带采样保持器的超高速12位A/D芯片MAXIM122。电流、电压信号经I/V、V/V中间变换器形成适合计算机处理的电压信号，通过低通滤波器单元LP后接至多路开关，在CPU控制下依次将各路信号接入，并A/D转换，再对采入的数据进行计算，将计算结果与设定值比较，决定作出相应的动作。为了尽量减少占用87C196CA的处理时间，将监测用的数据采集到一定数量后，在保护程序的运行空闲时间内，以原始的采样值通过CAN网络总线传输到后台机，以供计算和分析。
9 J# {5 g5 v% n$ l3 Q　　(2)CAN网络传输介质
　　总线的传输介质采用普通的屏蔽双绞线即可，如需进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器等措施。
. Y: ^( ~" t! e( R2 z) K) T+ {# h　　(3)后台处理系统构成
& m4 y! _8 A9 C2 A　　后台处理系统由含CAN适配卡的工控机和后台数据处理程序组成。通常适配卡电路分为双口RAM及其控制电路、中断申请与控制电路和内含CAN控制器的MCU80C592三部分。最后一部分也可由80C31加82C200CAN控制器构成。为提高数据交换量，双口RAM采用62256，其容量为32K字节。工控机与MCU80C592通过双口RAM控制电路对62256进行操作。工控机对双口RAM空闲状态下，将数据和命令写入62256，然后通过中断管理电路通知MCU80C592，80C592按照命令执行相应操作。当80C592收到下位节点的数据和命令时，在获得双口RAM控制权后，将其写入62256，再通过中断逻辑通知工控机取走数据和命令，如图3所示。

　　该方案由于使用大容量双口RAM，使大量的数据交换变得较为便捷，加之上位机的寄存器映像的读写方式，使数据交换速度大大提高。另外，由于MCU负责管理与下位节点的数据交换，然后再一次性地与工控机交换数据，节省了工控机的占用时间。通常适配卡可在市面上整体购得。在软件设计中，需编写工控机与MCU之间进行数据更换的程序和MCU与下位节点间数据交换的程序。
' k, P6 b. o2 d; \　　后台数据处理程序负责对整个CAN总线进行监视管理，具有系统参数(如波特率、输出控制、报文标识与屏蔽等)设置、监视状态设置、数据发送、数据请求、本机状态查询、节点状态查询、中断接收数据管理、对接收的电动机各种运行参数进行分析等功能。该程序采用VISUAL C++编写，有强大的人机交互功能，方便操作人员使用。
　　3、系统功能
　　(1)保护功能。异步电动机保护部分实现对电动机的综合保护，其具体的功能有接地保护、断相保护、短路保护、过负荷保护、不平衡过负荷保护、堵转保护、低电压和过电压保护。当电动机正常工作时，其监视的电流和电压信号通过面板上的液晶显示屏显示出来，以便就地观察，并且在微处理器空闲时定时地将采得电流和电压信号通过CAN总线传送至后台机。有故障时保护装置迅速动作，并且就地保存故障类型和时间以及其他电动机运行参数，随后通过CANBUS网络向远方后台机报告。
　　(2)在线监测功能部分。后台机凭借其强大的功能完成保护参数的管理和监测数据的处理。
" i- ]  K) s1 O" j5 B% n　　1)保护参数的管理：在控制室内对所有保护装置上的各种保护整定数据的调阅、修改和整定。
3 Z  N# ]1 \3 J9 F　　根据电动机的实际工作状态，例如环境温度的高低、工作时间的长短、起动频率等进行动态的调整，使其能方便地适应多种工作方式。实时掌握保护装置单元自身的工作状态，如有异常，通报运行人员。
　　2)监测数据的处理：从采集来的电压、电流信号中，分析隐含在其中的各种信息，并作出其发展方向的预测。
* o4 H8 Q- }" Y/ P- s　　①三相运行电流、电压的监测。运行人员可直观地观察电动机的机械负载轻重和供电电源的电压质量。②零序电流的监测。零序电流的大小往往反映绕组对地绝缘的状况，监视它能较早地防止接地故障。③负序电流的监测。负序电流的大小反映绕组相间绝缘的状况和三相电源的平衡程度，监视它能较早地防止相间短路。④过热保护的后备保护；通过电流、电压中序分量的计算也可对电动机的发热状态进行模拟，以实现过热后备保护。⑤功率及功率因数的监测。通过电动机运行功率的记录，为运行人员提供其出力状况和效率参数，以便合理地安排电动机的工作计划；实时得到的功率因数，为电动机的无功就地动态补偿提供依据。⑥信息管理。对众多的电动机建立设备信息库，记录各台电动机的型号、运行方式和历史维护记录等，并根据设备状态提示状态检修。⑦数据通讯。将异步电动机保护及监测系统的数据上传至厂内的综合自动化网络。
7 k( `" `. t# e. H6 @' A$ D7 D　　(3)在线参数辩识功能。在电动机的出线端加大扰动或小扰动，可实现离线或在线的参数辩识。从一般化电动机模型中可推导出作为异步电动机数学模型的派克方程。由于异步电动机的暂态过程很短，将其略去后方程组将是三阶微分方程组。在选取e′d?、e′q?、ωr?为状态量后可得相应的状态方程、输出方程和稳态约束方程，为了计算方便，取电压向量作为参考量，利用?CAN?系统采集扰动后的三相电压和电流信号，算出P、Q、id?、iq?、U和f，然后用?LSE?估算程序计算出电动机本身的R1、X1σ、R′2、X′2σ、Rm?和Xm?等参数，如果这些参数比正常状态有了大的变化，则可为故障诊断提供依据。
0 o( A) l7 a6 ^5 o: @, f/ x　　4、结论
　　本文所叙述的系统CAN总线连网方式比以往其他通信方式更加经济，方便而且可靠。在此网络上运行的保护比单台运行更加可靠，灵活方便，而且具有更强的在线监测及管理功能。本系统不仅可独立运行，并且可作为一个子系统接入工厂已有的自动化网络中。这是一种较适合目前工厂实际的异步电动机保护监测系统。【MechNet】
文章关键词： 电动机