CN201656556U - 基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置 - Google Patents

基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置 Download PDF

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黄作兵
杨淑平
乐凌志
郑郁
魏凯
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国电南京自动化股份有限公司
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Abstract

本实用新型公开了一种基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,包括:交流模块,对线路或电动机的模拟量输入以变化的采样频率进行电流、电压采样;开入模块,用于检测断路器、接触器等位置信息;CPU模块,用于处理A/D模件传来的数据,执行设定的保护、测控功能;开出模块:通过继电器操作断路器及接触器,发送动作、告警信号,其特征在于:还包括双Profibus-DP通信接口模块,其与MCU连接,并通过Profibus-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连,与上位机交互信息。本实用新型结构简单,提高了厂用电气自动化系统的实时性及可靠性;同时,易于安装与调试。

Description

基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置
技术领域
[0001 ] 本实用新型涉及一种基于双ProfibUS-DP总线接口的400V低压保护测控装置,属 于电力系统自动化技术领域。
背景技术
[0002] 400V低压保护测控装置,可用于电厂厂用电或工矿企业的380V系统,由线路保 护,电动机保护,测控装置等组成。目前400V装置多采用MCU+外置A/D控制器+外置FLASH+ 外置RAM+串口控制器等组成,其MCU系统集成度低,要外接存储器、A/D转换器,导致外部 总线设计复杂,容易降低装置的整体稳定性;装置多采用RS485通信方式,总线速率低且通 信协议不统一,导致解决系统联网中通信协议转换的问题越来越突出,已影响到自动化系 统的性能、工期、成本和系统稳定。
实用新型内容
[0003] 本实用新型所要解决的技术问题在于实现400V低压保护测控装置的实时总线通 讯功能,本实用新型提供一种结构简单、且运行状态稳定的400V低压保护测控装置。
[0004] 本实用新型所要解决的另一个技术问题是提供一种易于安装、调试、维护的400V 低压保护测控装置。
[0005] 为解决上述技术问题,本实用新型提供的一种基于双Profibus-DP总线接口的 400V低压保护测控装置,包括:
[0006] 交流模块:用于线路或电动机的模拟量输入以变化的采样频率进行电流、电压采 样;
[0007] 开入模块:用于检测断路器、接触器等位置信息;
[0008] CPU模块:用于处理A/D模件传来的数据,执行设定的保护、测控及通信功能;
[0009] 开出模块:通过继电器操作断路器及接触器,发送动作、告警信号;
[0010] 其特征在于,还包括双Profibus-DP通信接口模块:与MCU连接,并通过 Profibus-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连,与上位机交互信息,便于上位机实施监 控。
[0011] 前述的基于双ProfibUS-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其特征在于,所 述交流模块电路包括:
[0012] 信号调理电路:对输入的电压、电流信号进行隔离、放大及RC滤波处理后接入MCU 中的A/D转换电路;
[0013] A/D转换电路:即中央处理器中的A/D转换模块,由STMicroelectronics公司的 处理器STM32F103片上集成的12位精度A/D转换模块构成。
[0014] 所述信号调理电路中的小PT、CT分别将电压、电流均转换成电压信号,再经滤波 电路处理后送入MCU中的A/D转换模块输入端。
[0015] 前述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其特征在于:所述的开入模块电路由光耦隔离及滤波电路构成,220V或IlOV强电开入量经光耦隔离输出 的电信号送入滤波电路,以防止开入量信号的防抖,同时在软件中也增加防抖算法。
[0016] 前述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其特征在于:所 述的CPU模块电路包括STM32F103芯片、晶振电路、复位电路、MCU内置看门狗、MCU内置 Flash及MCU内置SRAM。所编软件含通信、人机界面、保护及图形化逻辑功能模块。软件程 序执行设定的保护、测控及通信功能;晶振电路向STM32F103芯片提供时钟信号。其中基 于突破性的ARM Cortex-M3内核的微处理器STM32F103芯片是一款专为嵌入式应用而开发 的内核,支持Thumb-2指令集,使其中断响应时间大幅度提高;该微处理器最大主频72MHz, 1. 25DMIPS/MHz,包含大容量快速闪存、RAM,多达18个12位的A/D转换器通道,12路DMA通 道,8个定时器(支持IC/0C/PWM或脉冲计数器模式),大量高速I/O 口,2个watchdog,一 个系统定时器,5个UART,2个SPI,1路USB Device接口。
[0017] 前述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其特征在于:所 述的开出模块包括启动继电器、动作继电器及信号继电器;启动继电器动作后动作继电器 才允许动作,信号继电器取常闭点,包含告警和失电功能。所有继电器为5V继电器,中央处 理器通过I/O控制负载驱动管,负载驱动管控制继电器线圈。其中KlA用作启动继电器,开 出模块中的继电器公共端CHKl接 入MCU中的I/O 口 PC7上用于继电器的自检。
[0018] 前述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其特征在于:所 述的双Prof ibus-DP总线接口硬件电路由双协议控制器及双RS-485接口电路构成。协议控 制器选用Prifichip公司的VPC3+C从站芯片,该芯片支持DP-V0/V1/V2功能,内部集成4K 的SRAM。所述Profibus-DP协议控制器芯片VPC3+C通过并行数据线、地址线与STM32F103 主芯片相连,并通过Profibus-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连,实现总线数据传输。 对于STM32F103而言,VPC3+C相当于它扩展的一个外部RAM,通过灵活静态存储控制器FSMC 与其相连,A、B网芯片分别使用NE2、NE3为片选。设计中,VPC3+C使用4K的Intel异步 模式,4K内存模式下管脚(PIN24)ALE/AS/AB11应为地址线All,Intel异步模式相应的管 脚 XINT/M0T(PIN8) ,MODE (PIN23)均为 0,数据线 DB0-DB7 与 STM32F103 的数据线 D0-D7 相 连,地址线ABO-ABlO与STM32F103的地址线AO-AlO相连。RS-485接口电路中光耦选用 HCP0601,收发器选用MAX485,为防止使本节点故障或上电复位时不影响总线功能,VPC3+C 的请求发送RST管脚经光耦隔离反相逻辑传输,再经反门MM74HC04M接入收发器MAX485的 发送使能DE管脚。
[0019] 本实用新型的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置工作原理 为:交流测量电路对线路或电动机的模拟量输入以变化的采样频率进行电流、电压采样,开 入量输入电路采集断路器或接触器等的位置信息,MCU将采集的模拟量利用傅氏算法计算 采样结果,同时将计算出的电压、电流做启动判别,按程序设定的方式控制出口驱动回路; 通过Prof ibus-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连,与上位机交互信息,便于上位机实 施监视和控制。
[0020] 本实用新型所达到的有益效果:
[0021] 本实用新型利用Profibus-DP通信专用芯片,使用高性能MCU增强型STM32F103 作为中央处理器,实现具有双Profibus-DP总线功能的400V低压保护测控装置的低成本设 计方案,最终将采集的数据经双Profibus-DP总线传输至上位机,上位机通过Profibus-DP总线发送命令实现断路器或接触器的分、合操作及保护信息的管理。本实用新型的400低 压保护测控装置硬件平台具有高性能、通用性、经济性、抗干扰性、可扩展性,软件采用图形 化编程技术实现保护、测控、通信一体化功能,结构简单,能更好的适应电厂厂用电和工矿 企业的380V系统的需求,提高了厂用电气自动化系统的实时性及可靠性;同时,易于安装 与调试。
附图说明
[0022] 图1是本实用新型400V低压保护测控装置的整体结构示意图;
[0023] 图2是本实用新型400V低压保护测控装置的交流采样示意图;
[0024] 图3是本实用新型400V低压保护测控装置的开入量输入示意图;
[0025] 图4是本实用新型400V低压保护测控装置的CPU电路示意图;
[0026] 图5是本实用新型400V低压保护测控装置的出口驱动回路示意图;
[0027] 图6是本实用新型400V低压保护测控装置的PR0FIBUS-DP总线接口 A网硬件电 路图;
[0028] 图7是本实用新型400V低压保护测控装置的PR0FIBUS-DP总线接口 B网硬件电 路图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
[0030] 图1是本实用新型400V低压保护测控装置的整体结构示意图。一种基于双 Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,它采用STMicroelectronics公司的高性 能MCU增强型STM32F103作为中央处理器,整个装置由电源模块、交流模块、CPU模块、开入 模块、出口模块、人机界面模块及双Profibus-DP通信接口模块组成。其中交流模块由信号 调理电路和A/的转换电路构成;信号调理电路将采集的电压、电流信号处理后送入MCU的 A/D转换模块输入端。开入模块由光耦隔离及滤波电路构成。CPU模块由STM32F103芯片、 晶振电路及复位电路等组成;晶振电路向STM32F103芯片提供时钟信号。开出模块由5路 继电器组成。
[0031] 图2是本实用新型400V低压保护测控装置的交流采样示意图。上述所说的交流模 块电路由信号调理电路和A/D转换电路构成;信号调理电路中采用精密PT、CT变换器分别 将电压、电流均转换成电压信号,再经滤波电路处理后送入MCU中的A/D转换模块输入端。
[0032] 图3是本实用新型4 OOV低压保护测控装置的开入量输入示意图。上述所说的开 入量输入电路由光耦隔离及滤波电路构成;220V或IlOV强电开入量经光耦隔离输出的电 信号送入滤波电路,以防止开入量信号的防抖,同时在软件中也增加防抖算法。
[0033] 图4是本实用新型400V低压保护测控装置的CPU电路示意图上述所说的CPU模 块电路由STM32F103芯片、晶振电路、复位电路、M⑶内置看门狗、M⑶内置Flash及MCU内 置SRAM等组成。所编软件含通信、人机界面、保护及图形化逻辑功能模块。软件程序执行 设定的保护、测控及通信功能;晶振电路向STM32F103芯片提供时钟信号。
[0034] 图5是本实用新型400V低压保护测控装置的出口驱动回路示意图。上述所说的 开出模块电路由启动继电器、动作继电器及信号继电器构成。其中KlA用作启动继电器,出口模块中的继电器公共端CHKl接入MCU中的I/O 口 PC7上用于继电器的自检。
[0035] 图6是本实用新型400V低压保护测控装置的PR0FIBUS-DP总线接口 A网硬件电路 图。上述所说的PR0FIBUS-DP总线接口 A网硬件电路由协议控制器及RS-485接口电路构 成。协议控制器选用Prifichip公司的VPC3+C从站芯片,该芯片支持DP-V0/V1/V2功能,内 部集成4K的SRAM。对于STM32F103而言,VPC3+C相当于它扩展的一个外部RAM,通过灵活 静态存储控制器FSMC与其相连,A、B网芯片分别使用NE2、NE3为片选。设计中,VPC3+C使 用4K的Intel异步模式,4K内存模式下管脚(PIN24)ALE/AS/AB11应为地址线All,Intel 异步模式相应的管脚XINT/M0T(PIN8)、MODE (PIN23)均为0,数据线DB0-DB7与STM32F103 的数据线D0-D7相连,地址线AB0-AB10与STM32F103的地址线A0-A10相连。RS-485接口 电路中光耦选用HCP0601,收发器选用MAX485,为防止使本节点故障或上电复位时不影响 总线功能,VPC3+C的请求发送RST管脚应经光耦隔离反相逻辑传输,再经反门MM74HC04M接 入收发器MAX485的发送使能DE管脚。
[0036] 图7是本实用新型400V低压保护测控装置的PR0FIBUS-DP总线接口 B网硬件电 路图。上述所说的PR0FIBUS-DP总线接口 B网硬件电路与图6大致相同,其中图6中的晶 振电路及反门匪74HC04M为A、B网共用回路。
[0037] 本实用新型涉及带两个Profibus-DP总线接口的400V电压保护测控装置,采 用STMicroelectronics公司的高性能MCU增强型STM32F103作为中央处理器,整个装置 采用分体式模块设计,包括电源模块、交流模块、CPU模块、开入模块、出口模块、人机界面 模块及双Profibus-DP通信接口模块。其特征在于通过交流模块采集电压、电流;开入 模块采集断路器、接触器等位置信息;CPU模块将采集的数据进行运算处理,执行设定的 保护、测控功能;出口模块中的继电器驱动一次设备的分、合闸及动作、告警信号的输出; 两个Profibus-DP通信接口,采用双网冗余设计,一路故障时不影响另一路正常运行,保 证信息可靠的交互。协议中实现Profibus-DP V0/V1功能,利用Profibus-DPVO将采集 的电压、电流、功率等模拟量信息、断路器状态、接触器状态等开关量信息、保护元件告警 及动作信息发送至Profibus-DP主站,主站通过输出命令进行断路器的分、合操作;利用 Profibus-DPVl功能,实现装置对时、定值读写、软压板读写、电度量及保护模拟量的读取功 能。
[0038] 本实用新型的上述实施方式具有以下特点:
[0039] 1.可直接驱动断路器,也可与接触器配合实现保护功能;
[0040] 2.电流测量精度为0. 5级,电压和功率测量精度为1级;
[0041] 3.具有一路4_20mA直流模拟量输出,取代交流采集变送器;
[0042] 4.最多11路用户可自定义名称的开入量接口,最多4路开关量可逻辑编程;
[0043] 5.失压重启,正、反转等电机控制功能;
[0044] 6.有效、可靠的TV断线判据,有效防止电机低电压元件误动作;
[0045] 7.两个Profibus-DP (或RS485)通信接口,标准的通讯协议,双网冗余,
[0046] 一路故障时不影响另一路正常运行,在ECS系统的工程师站上通过Profibus通讯 网络完成400V装置的功能设置与整定;
[0047] 8.主控制器、显示操作终端、CT互相独立,可分别安装与调试;
[0048] 9.主控制器带有USB接口,可以通过USB维护和调试;[0049] 10.高抗干扰性能,通过10项电磁兼容检测认证,快速瞬变、脉冲磁场、浪涌抗干 扰性能均达到最高等级(IV级)标准;
[0050] 11.本实用新型的400V低压保护测控装置实现了保护、测控及通信一体化,具有 广阔的市场应用前景。
[0051] 本实用新型的保护范围不限于具体实施方式中的保护范围,对具体实施方式所做 出的不需创造性劳动的变形都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

  1. 一种基于双Profibus‑DP总线接口的400V低压保护测控装置,包括:交流模块:对线路或电动机的模拟量输入以变化的采样频率进行电流、电压采样;开入模块:用于检测断路器、接触器等位置信息;CPU模块:用于处理A/D模块传来的数据,执行设定的保护、测控功能;开出模块:通过继电器操作断路器及接触器,发送动作、告警信号,其特征在于:还包括双Profibus‑DP通信接口模块,其与MCU连接,并通过Profibus‑DP总线接口和通讯电缆与上位机相连,与上位机交互信息。
  2. 2.根据权利要求1所述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其 特征在于,所述的交流模块包括:信号调理电路:对输入的电压、电流信号进行隔离、放大及RC滤波处理后接入MCU中的 A/D转换电路;A/D转换电路:即中央处理器中的A/D转换模块,由STMicroelectronics公司的处理 器STM32F103片上集成的12位精度A/D转换模块构成;所述信号调理电路中的精密PT、CT变换器分别将电压、电流均转换成电压信号,再经 滤波电路处理后送入MCU中的A/D转换模块输入端。
  3. 3.根据权利要求1或2所述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装 置,其特征在于,所述的开入模块电路由光耦隔离及滤波电路构成,220V或IlOV强电开入 量经光耦隔离输出的电信号送入滤波电路。
  4. 4.根据权利要求1所述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置, 其特征在于,所述的CPU模块包括:STM32F103芯片、晶振电路、复位电路、MCU内置看门狗、 MCU内置Flash及MCU内置SRAM,所述晶振电路向STM32F103芯片提供时钟信号。
  5. 5.根据权利要求1所述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其 特征在于,所述的开出模块包括启动继电器、动作继电器及信号继电器,中央处理器通过I/ O控制负载驱动管,负载驱动管控制继电器线圈。
  6. 6.根据权利要求1所述的基于双Profibus-DP总线接口的400V低压保护测控装置,其 特征在于,所述的双Profibus-DP总线接口模块包括两路协议控制器及两路RS-485接口电 路,所述Profibus-DP协议控制器的芯片VPC3+C通过并行数据线、地址线与STM32F103主 芯片相连,并通过Profibus-DP总线接口和通讯电缆与上位机相连。
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