CN105867222A - 用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构 - Google Patents

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刘志远
梁守硕
于晓军
邹洪森
岑登青
杨晨
安燕杰
陈瑞
宋靖宁
陈昊阳
陆洪建
唐鑫
杨稼祥
王宏丽
赵健
叶在福
姜健琳
尹浙洪
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output

Abstract

本发明涉及一种用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，所述的电路结构包括：微处理器，用以将开出控制字进行编码并输出控制信号；继电器，用以接收控制信号，其特征在于，所述的电路结构还包括串并转换器，用以进行控制信号的串并转换，所述的串并转换器连接于微处理器和继电器之间。采用该种结构的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路能够实现对风冷机组的起停交流接触器的正确控制、防止外界干扰对装置电路板上开出控制电路造成影响而令继电器输出误动和保证变压器风冷油泵、风扇电机的正确合理运行，具有更广泛的应用范围。

Description

用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构
技术领域
本发明涉及电子电路抗干扰技术领域，尤其涉及抗干扰开出控制电路领域，具体是指一种用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路。
背景技术
1、干扰源的分析
计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。内部干扰主要有：系统软件的不稳定、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。干扰是无时无处不存在的，并且可能导致系统不能正常运行，严重者造成不良后果。大部分干扰都是从过程通道引入的，所以很有必要在设计过程通道时就考虑抗干扰和系统可靠性问题。
尽管开关量较模拟量信号要“干净”得多，但干扰依然存在，并以随机脉冲序列形式窜入电路，主要原因如下：
1.1电源系统的干扰
我国电源噪声干扰主要表现在过压、欠压、停电、浪涌以及尖峰电压等方面，容易形成开关量电平信号的浮动，使逻辑可靠性变差，而尖峰电压窜入电路，耦合到输入开关量上，会引起计算机检测失误。
1.2信号传输线过长
任何电源及信号源电路都存在电阻和分布电容，是产生采样信号干扰噪声的主要因素，传输线越长，噪声越大；系统主振频率越高，传输噪声也越大。按照经验公式计算，计算机主频为1MHz、传输远于0.5m，或主频为4MHz、传输远于0.3m时，都应做为长线传输入理。
1.3控制电路中存在继电器元件
继电器主要领先对电流吸收、释放为基本工作条件，工作电流比微机芯片工作电流要大得多。因此，当继电器动作时，必然在电路中产生一些干扰脉冲。这些干扰主要有二个特点：一是脉冲为一串振幅不等的序列脉冲，二是脉冲序列宽度有限(一般小于10ms)。风冷控制系统中由于控制通道数目众多，因此继电器器件的数目和外部驱动电流很容易对控制回路的小电流信号产生干扰，如果不采取抑制干扰的措施，则很容易出现误动作。
2、传统的控制电路形式主要有：
2.1基于1/0电平的直接控制方式。很多处理器的IO管脚具有一定的驱动能力，能够直接连接驱动电路驱动继电器线圈的导通和断开的，中间不经过任何转换及隔离，无法抑制外界干扰；
2.2在直接1/0电平控制方式的基础上增加光电隔离电路，防止外界干扰窜入内部控制电路，对1/0控制电平发生耦合干扰。如采用TLP521光耦，如图1、2，当外界形成干扰脉冲宽度T≥ton时，脉冲可以通过光耦，光耦TLP521对宽度T≥3μs的脉冲没有免疫能力，换算成频率是333.33KHz，就是说光耦对333.33KHz以下的干扰脉冲无法过滤，如表1。
开关特性(Ta＝25℃)
表1 TLP521光耦特性参数表
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对风冷机组的起停交流接触器进行正确控制、防止外界干扰对装置电路板上开出控制电路造成影响而令继电器输出误动、保证变压器风冷油泵和风扇电机正确合理运行的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构。
为了实现上述目的，本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构具有如下构成：
该用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构包括：微处理器，用以将开出控制字进行编码并输出控制信号；继电器，用以接收控制信号，其主要特点是，所述的电路结构还包括串并转换器，用以进行控制信号的串并转换，所述的串并转换器连接于微处理器和继电器之间。
较佳地，所述的串并转换器用以将所述的微处理器的并行控制信号经过并行-串行-并行的转换方式后输出至所述的继电器。
较佳地，所述的微处理器具有SPI接口，所述的微处理器通过所述的SPI接口输出控制信号至所述的串并转换器。
较佳地，所述的串并转换器为至少一个，各个串并转换器采用并联或级联的方式连接至所述的微处理器的输出接口。
较佳地，所述的电路结构还包括光耦，用以隔离干扰信号，所述的光耦连接于所述的微处理器和串并转换器之间。
较佳地，所述的串并转换器用以对控制信号进行校验并过滤掉无效控制命令。
较佳地，所述的串并转换器用以检测并行输出IO口的故障并将反馈信号发送至所述的微处理器。
较佳地，所述的串并转换器用以输出驱动电流至所述的继电器。
较佳地，所述的串并转换器采用freescale多路开关芯片。
采用了该发明中的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，串并转换器采用并行-串行-并行转换方式，增加了一级串行编码环节，比简单使用1/0控制方式对干扰的抵抗能力强；微处理器具有SPI接口，通信速度高，编码波形有校验环节，能够大大提高控制编码抗干扰的能力，从而过滤掉无效的控制命令，同时串并转换器的反馈功能，令开出控制输出更安全；串并转换器的并联或级联方式扩展IO口的通道比传统IO口扩展有优势，不需要额外增加更多的控制IO口，系统PCB电路布线方便，处理干扰更有效；增加一级隔离，使用SPI+光耦两级抗干扰手段，更有效过滤外界窜入干扰信号。
附图说明
图1、2为现有技术中TLP521光耦的电路图。
图3为本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构图。
图4为本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构的SPI通讯波形图。
图5为本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构的带光耦的控制电路模块图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明涉及一种用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构。所述的电路结构涉及的硬件技术领域包括集成电路技术、电子电路抗干扰技术和微机控制技术。
集成电路技术应用：1947年贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；之后集成电路经历了大规模集成电路阶段，μm工艺阶段，nm工艺阶段，到如今集成电路发展到了超大规模及超多功能的集成。集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。
电子电路抗干扰技术：电子电路中通常存在来自外部或内部的干扰，在系统中对运行产生不良甚至致命的影响，电子电路抗干扰设计不仅是抑制电子电路中电磁干扰的有效方法，还是电子电路优质、稳定运行的重要体现。目前常用的电子电路抗干扰处理方法有屏蔽、接地、浮置、滤波和其他手段，如加入电源变压器屏蔽、加入光电耦合隔离外界干扰等，在电路处理上优化电路布线，在软件处理上加入抗干扰滤波算法和防抖算法等，对抗干扰起到了一定的作用，但是对于输出的控制信号对抗干扰信号往往还没有很有效的方法。
微机控制技术：微机控制系统是在自动控制技术和微机技术发展的基础上产生的。微机控制系统使用微型计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。其中辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。它与被控对象的联系和部件间的联系通常有两种方式：有线方式和无线方式。控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。
针对目前已有控制电路存在的问题进行分析研究，分析控制电路干扰的产生原因、途径和表现形式，从变压器冷却控制系统的应用需求出发，本发明提出了一种有效的能够抵抗外界干扰的风冷智能控制装置的开出控制电路结构。
目前的微机控制系统开出控制电路处理外界和内部噪声干扰的方式仅限于采用隔离光耦+继电器隔离的方式，往往不能抑制所有外界干扰。本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构包括：微处理器、串并转换器、光耦和继电器。所述的串并转换器和光耦连接于微处理器和继电器之间。所述的串并转换器采用并行-串行-并行控制的方式，增加了一级串行编码环节，比简单使用1/0控制方式具有更强的抗干扰能力。如图3、4所示，微处理器通过SPI接口连接串并转换器，在微处理器程序处理中将开出控制字进行编码，通过SPI接口发送给串并转换器，即将并行控制字转换成串行编码；然后在串并转换器芯片接收到串行编码后，在芯片内部的移位寄存器中进行串并转换，将控制电平输出到芯片出口管脚，再驱动继电器线圈。在实际应用中，可以增加多级串行编码环节，并不局限于一级。
所述的串并转换器采用freescale多路开关芯片，此芯片有如下特点：带有命令字编码的24位SPI串行转并行输出，其中前6位bit23～bit18为命令字，后16位bit15～bit0为串行编码；具有输出故障反馈功能，能够检测并行输出IO口的开路、短路和过热故障，通过SPI口反馈到微处理器MCU，据此，MCU可以作为控制输出是否正确的判断依据；芯片本身可以设置16mA湿电流输出，供继电器线圈驱动。在实际应用中，串并转换器可以采用其他具有相似功能的芯片，并不局限于freescale多路开关芯片一种。
所述的串并转换器的SPI通讯具有校验机制，能够大大提高控制编码抗干扰的能力，从而过滤掉无效的控制命令，同时串并转换器的反馈功能，令开出控制输出更安全。
所述的串并转换器为至少一个，各个串并转换器采用并联或级联的方式连接至所述的微处理器的输出接口。本发明中，风冷智能控制装置具有控制+告警输出共27路开出，若采用传统的IO输出方式，会占用大量的IO口，考验处理器IO接口资源，很可能资源不足而需要另外扩展。本发明中采用两片串并转换芯片并联的方式，如图5每个芯片具有14个输出IO，两片芯片并联扩展可以满足27路的需求。同时，此串并转换芯片的IO接口能够设置16mA湿电流输出，可以直接驱动继电器线圈导通。因此能满足系统的开出驱动能力需求。在实际应用中，可以采用多片串并转换芯片并联或级联的方式，并不局限于两片串并转换芯片并联。
所述的微处理器具有SPI接口，所述的微处理器通过所述的SPI接口输出控制信号至所述的串并转换器。由MCU发出动作指令至串并转换器IO管脚上驱动电平足够驱动继电器线圈所需要时间(动作时间)T＝ttr+tdelay+tout,SPI的串行通信速率可达FSPI＝6MHz，传输入一帧24bit数据编码所需时间为ttr＝4us，芯片反应延时为SPI接口电平建立时间，tdelay＝100ns，IO输出时间tout＝15us，由此可得此控制电路的动作时间为T＝19.1us，比较一般快速保护的动作时间0.04～0.08s，最快的可达0.01～0.02s；一般的断路器的动作时间为0.06～0.15s，最快的可达0.02～0.06s。而传统风冷控制系统中热继电器的动作时间与整定值有关，往往误差很大，甚至达20％，因此本发明的动作速度能够满足系统需求。
所述的光耦，用以隔离干扰信号，系统装置所处环境恶劣，安装运行在户外靠近变压器的位置，装置运行受到外界强电场、磁场干扰，为了更好地隔离外界的干扰脉冲进入控制电路，造成继电器误动，提高控制系统的可靠性，电路中加入一级光耦隔离，完全屏蔽外界的强电磁场所造成的强电流脉冲信号，如图5。
本发明电路在宁夏银川东660换流站变压器风冷智能控制装置中得到很好应用，现场验证，控制输出无误动，系统安全可靠运行。试验验证，此装置的开出电路能够通过严酷等级为B级±2KV/5KHz的电快速瞬变脉冲群抗扰度检验；能够通过严酷等级为Ⅴ级的连续磁场100A/m持续30s、短时磁场1000A/m持续3s的50Hz工频磁场抗扰度检验；能够通过严酷等级为Ⅴ级的1000A/m、磁场电流波形6.4/16us的脉冲磁场抗扰度检验。
采用了该发明中的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，具有以下有益效果：
本发明的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，串并转换器采用并行-串行-并行转换方式，增加了一级串行编码环节，比简单使用1/0控制方式对干扰的抵抗能力强；微处理器具有SPI接口，通信速度高，编码波形有校验环节，能够大大提高控制编码抗干扰的能力，从而过滤掉无效的控制命令，同时串并转换器的反馈功能，令开出控制输出更安全；串并转换器的并联或级联方式扩展IO口的通道比传统IO口扩展有优势，不需要额外增加更多的控制IO口，系统pcb电路布线方便，处理干扰更有效；增加一级隔离，使用SPI+光耦两级抗干扰手段，更有效过滤外界窜入干扰信号。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，所述的电路结构包括：
微处理器，用以将开出控制字进行编码并输出控制信号；
继电器，用以接收控制信号；
其特征在于，所述的电路结构还包括：
串并转换器，用以进行控制信号的串并转换；
所述的串并转换器连接于微处理器和继电器之间。
2.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器用以将所述的微处理器的并行控制信号经过并行-串行-并行的转换方式后输出至所述的继电器。
3.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的微处理器具有SPI接口，所述的微处理器通过所述的SPI接口输出控制信号至所述的串并转换器。
4.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器为至少一个，各个串并转换器采用并联或级联的方式连接至所述的微处理器的输出接口。
5.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括光耦，用以隔离干扰信号，所述的光耦连接于所述的微处理器和串并转换器之间。
6.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器用以对控制信号进行校验并过滤掉无效控制命令。
7.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器用以检测并行输出IO口的故障并将反馈信号发送至所述的微处理器。
8.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器用以输出驱动电流至所述的继电器。
9.根据权利要求1所述的用于变压器风冷智能控制装置的抗干扰开出控制电路结构，其特征在于，所述的串并转换器采用freescale多路开关芯片。
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