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楊玉龍1 李海全2 周 中2
（1． 吉林油田勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林 松原 100724）
（2． 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）
摘 要：介紹一款基于8位單片機(jī)ATmega128為主控芯片，具有監(jiān)測(cè)32路開關(guān)量信號(hào)輸入的ARTU-K32型遙信單元設(shè)計(jì)原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用案例。
關(guān)鍵字：ATmega128芯片；遙信單元；ARTU-K32 型
0 引言
在電力及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，存在著大量如斷路器的分合、電機(jī)的啟停，電磁閥的開閉等執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)需要檢測(cè)并把狀態(tài)反饋回控制單元，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。在以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常使用多個(gè)PLC或帶有通訊和開關(guān)量輸入功能的現(xiàn)場(chǎng)儀表組成一個(gè)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，但PLC高昂的成本和繁瑣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給自動(dòng)化設(shè)計(jì)、應(yīng)用帶來困擾。
本文介紹一款具有32路遙信接點(diǎn)輸入的ARTU-K32，該裝置可接受32路有源或無源接點(diǎn)，把開關(guān)量信號(hào)經(jīng)通訊實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，32個(gè)通道掃描一周僅需時(shí)間為1ms，同時(shí)擁有2000組輸入狀態(tài)事件記錄，帶GPS校時(shí)功能,在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個(gè)月內(nèi)不丟失，相對(duì)以往控制方式，本設(shè)計(jì)在簡(jiǎn)化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提供了一種低成本，高可靠性的替代方案。
1 電路設(shè)計(jì)原理
ARTU-K32遙信單元硬件電路包括主CPU芯片、撥碼開關(guān)設(shè)定輸入、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、雙路RS485通訊、SOE事件記錄存儲(chǔ)、看門狗控制、光電隔離輸入采集、供電電源模塊等8部分組成。（見圖1）
圖1 電路結(jié)構(gòu)
1.1 主控CPU
32路開關(guān)量信號(hào)采集單元（ARTU-K32）設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實(shí)現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、事件記錄存取，顯示狀態(tài)控制等。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結(jié)構(gòu)高速低功耗單片機(jī)，在16M時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，內(nèi)帶128k的Flash、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)展64k外部存儲(chǔ)器；兩路UART通訊口。同時(shí)該芯片擁有JTAG在線編程口，方便用戶調(diào)試，降低了開發(fā)成本，53個(gè)可編程I/O口可以掛接足夠多的外圍設(shè)備。
1.2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入
撥碼開關(guān)提供用戶一個(gè)簡(jiǎn)化的人機(jī)接口，用于設(shè)定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設(shè)定功能，撥碼開關(guān)（SW1）的10位數(shù)據(jù)口都接10k電阻上拉到Vcc，電路使用一個(gè)74HC244（IC5）數(shù)據(jù)緩沖器，把撥碼開關(guān)的狀態(tài)傳送到8位數(shù)據(jù)總線，剩余兩根數(shù)據(jù)線則直接接到CPU的I/O端口。（見圖2）
圖2 撥碼開關(guān)設(shè)定輸入電路
1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)SOE事件的時(shí)間記錄點(diǎn)，該芯片擁有400kHz 串行IIC總線接口，其內(nèi)置的32.768 kHz 石英振蕩器，提供寬溫、高穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)。
1.4 通訊方式
通訊方式采用雙路RS485方式，調(diào)試及設(shè)定和上位機(jī)通訊部分在物理上分成兩路，互不干擾，有效防止可能存在的誤操作。（見圖3）
圖3 雙路RS485通訊電路
1.5 SOE事件記錄存儲(chǔ)
SOE事件記錄存儲(chǔ)器使用32k低功耗SRAM（IC3）IC61C256AH和后備電源形成一個(gè)斷電不丟失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，使用數(shù)據(jù)鎖存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口組成15位數(shù)據(jù)地址對(duì)IC3進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。（見圖4）
圖4 事件記錄存儲(chǔ)電路
1.6 看門狗控制
掉電自動(dòng)保存部分使用MAX691CWE（IC8）作為電源管理，在系統(tǒng)有輔助供電的情況下保證IC3由主電源Vcc供電，當(dāng)主電源掉電時(shí)則自動(dòng)切換到后備電池供電方式。同時(shí)此芯片還兼有看門狗功能，在系統(tǒng)死機(jī)的極端情況下及時(shí)復(fù)位CPU，使系統(tǒng)快速恢復(fù)至受控狀態(tài)。（見圖5）
圖5 看門狗電路
1.7 光電隔離的輸入信號(hào)狀態(tài)采集
外部開關(guān)信號(hào)采集使用光耦（IC1，IC2只畫出其中四路）作電器隔離，光耦輸出端使用一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器74HC244（IC9）對(duì)光耦輸出信號(hào)進(jìn)行緩沖后傳送到CPU的數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。（見圖6）
圖6 信號(hào)狀態(tài)采集
1.8 電源部分
電源模塊采用PI公司的開關(guān)電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給CPU，12V電源輸出、通訊等部分電路提供電源。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件流程見圖7
圖7 軟件流程圖
3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
ARTU-K32采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝。前端帶通信指示和信號(hào)運(yùn)行通道指示2組指示燈，通信有兩路RS485接口，（使用ModBus—RTU協(xié)議）一路用于通用參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試，另一路用于和上位機(jī)通訊。產(chǎn)品頂端設(shè)有撥碼開關(guān)窗口，可通過撥碼開關(guān)設(shè)置產(chǎn)品通訊地址和波特率。產(chǎn)品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗(yàn)方法》和GB/T13729-2002《遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。
4 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)見表1
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo) 表1
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性能
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指 標(biāo)
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輸入回路/方式
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32路有源濕接點(diǎn)或無源干接點(diǎn)
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總線方式
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二線制半雙工RS485（ModBus—RTU）建議采用三芯屏蔽線
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總線容量
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≤32
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開關(guān)量事件分辨率
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多接點(diǎn)相繼變位的區(qū)分能力，任兩個(gè)接點(diǎn)變位時(shí)間間隔大于1毫秒時(shí)，單元的區(qū)分能力（小于2ms）并在SOE中體現(xiàn)出來
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遙信掃描速度
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32個(gè)通道掃描一周需要1ms
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遙信去抖時(shí)間
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1~99ms可編程（32通道統(tǒng)一的時(shí)間）
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事件順序記錄（SOE）容量
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1600組
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外殼防護(hù)等級(jí)
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IP20
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電源
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DC24V或AC/DC200V
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電源功耗
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＜５Ｗ
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5 應(yīng)用案例
1臺(tái)ARTU-K32可以監(jiān)控8條馬達(dá)回路或16路照明回路的工作狀態(tài)。以監(jiān)測(cè)馬達(dá)回路為例，一次方案見圖8(a)，由配輔助、故障觸點(diǎn)的NS斷路器、LC1交流接觸器、LR2熱繼電器和AKH-0.66P保護(hù)型互感器組成。每條馬達(dá)回路監(jiān)測(cè)4組節(jié)點(diǎn)，即斷路器合閘、故障觸點(diǎn)，電機(jī)運(yùn)行（接觸器）狀態(tài)觸點(diǎn)，電機(jī)熱過載（熱繼電器）觸點(diǎn)，1臺(tái)ARTU-K32監(jiān)測(cè)8條馬達(dá)回路。見圖8（b），通過現(xiàn)場(chǎng)啟停按鈕控制馬達(dá)的運(yùn)行與停車，現(xiàn)場(chǎng)紅、綠指示燈同步顯示馬達(dá)的工作狀態(tài)，遙信單元?jiǎng)t可通過監(jiān)測(cè)各元件觸點(diǎn)的動(dòng)作值遠(yuǎn)程顯示馬達(dá)的工作狀態(tài)。
圖8
6 結(jié)束語
ARTU-K32遙信單元于2007年12月在國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，符合相關(guān)要求。該產(chǎn)品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務(wù)大廈、內(nèi)蒙古某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，降低了投資成本，產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
文章來源于：《電氣技術(shù)》2009年第9期。
參考文獻(xiàn)：
[1] 上海安科瑞電氣有限公司.ARTU四遙單元安裝使用說明書,2008.07版.
[2] 任致遠(yuǎn)，周中.電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社，2007.
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