中頻爐PLC智能數(shù)字?jǐn)?shù)控保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用
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SXHSJD 發(fā)布時(shí)間：2019-06-01 10:43:52
隨著供電系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統(tǒng)模式的繼電保護(hù)系統(tǒng)已不能完全滿足安全運(yùn)行、集中管理的需求。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控保護(hù)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為此，我們研制了基于CAN總線的 中頻電爐變壓器智能保護(hù)檢測(cè)與監(jiān)控局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前此技術(shù)已在某些冶煉廠得到應(yīng)用，系統(tǒng)將微機(jī)監(jiān)控與全數(shù)字化微機(jī)保護(hù)測(cè)控技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了電爐變壓器的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線故障診斷，為生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和在線控制提供了科學(xué)依據(jù)。 金屬冶煉生產(chǎn)過程中 中頻電爐變壓器是主要電氣設(shè)備。 中頻電爐的生產(chǎn)能力是企業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)， 中頻電爐變壓器的功率和安全系數(shù)直接影響電爐的生產(chǎn)和企業(yè)成本； 中頻電爐變壓器工作條件惡劣，調(diào)壓等級(jí)多，二次電壓低，電流高達(dá)上萬(wàn)安培，由于冶煉過程的工藝的特殊要求，中頻電爐變壓器必須承受大的電流沖擊和電壓波動(dòng)。為了變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其電氣保護(hù)的安全性、有效性和快速性具有十分重要意義。 一、現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)組成 CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（ControlAreaNetwork）的簡(jiǎn)稱，是由德國(guó)Bosch公司為汽車的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)過程控制設(shè)備和監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的互連?？偩€控制系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，監(jiān)控調(diào)度主站（監(jiān)控調(diào)度層）--CAN總線（測(cè)控層）--智能測(cè)控保護(hù)單元（監(jiān)控對(duì)象層）。監(jiān)控調(diào)度主站由工業(yè)PC機(jī)和網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡完成RS－232與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與CAN總線連接。 監(jiān)控調(diào)度主站操作系統(tǒng)采用WindowsNT4.0Workstation簡(jiǎn)體中文版，軟件采用面向?qū)ο蟮娜?2位BorlandDelphi編寫，可方便地實(shí)現(xiàn)豐富直觀的模擬圖形顯示，報(bào)表打印與數(shù)據(jù)庫(kù)處理，特殊功能如開關(guān)操作、參數(shù)設(shè)計(jì)需校驗(yàn)密碼后方能執(zhí)行，為了提高可靠性，監(jiān)控調(diào)度主機(jī)設(shè)為兩臺(tái)，互為備用。 CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，利用該特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。CAN總線通信采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上其它節(jié)點(diǎn)及通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 二、系統(tǒng)硬件組成 1、硬件組成本系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)控制機(jī)（IPC）現(xiàn)場(chǎng)CAN總線I／O模塊、接口板和測(cè)控保護(hù)單元等。 , 一拖二中頻爐; 工業(yè)控制機(jī)（IPC）組成有All－In－One型CPU卡（Pentium－550，32MB內(nèi)存，512KBCache，EIDE集軟驅(qū)動(dòng)器接口，兩串一并接口）, www.sxhaishan.com，PCI－S3兼容的圖形加速芯片及2MB顯存也集成在卡上。監(jiān)控主機(jī)設(shè)為兩臺(tái)，互為備用?？偩€插槽上插高速隔離CAN智能通訊卡I／O模塊（負(fù)責(zé)與各測(cè)控保護(hù)單元交換信息）及工控機(jī)的CAN總線（高速增強(qiáng)型）接口板。通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，總線收發(fā)器使用PCA82C250，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收。監(jiān)控調(diào)度主站的工業(yè)控制機(jī)通過網(wǎng)卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線，實(shí)現(xiàn)與智能測(cè)控單元的數(shù)據(jù)交換，如圖2所示。 2、系統(tǒng)功能測(cè)控保護(hù)單元是整個(gè)保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。它由微處理器、信號(hào)輸入／輸出回路、通訊接口及相應(yīng)的軟件構(gòu)成。系統(tǒng)中MCU選用Intel87C196KC－20，這是由于其運(yùn)算速度快（每時(shí)鐘周期0.1μs），實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)（HIS、HSO、PTS），內(nèi)置488BRAM，無寄存器瓶頸, 透熱爐，其運(yùn)行速度為Intel8098有2～3倍，程序可固化于片內(nèi)16KBEPROM（OTP），另外擴(kuò)展一片串行EEPROM作為運(yùn)行參數(shù)存貯器，一片32KBSRAM存貯錄波數(shù)據(jù)。 控制室內(nèi)僅放置主機(jī)和交流電源裝置，測(cè)控保護(hù)單元均分散到開關(guān)柜上，從開關(guān)柜到控制室只有一根雙絞屏蔽通訊電纜連接。 基于可靠性考慮，與電力設(shè)備一對(duì)一設(shè)置，既可獨(dú)立并行工作，獨(dú)立完成相應(yīng)一個(gè)設(shè)備（如一條出線）全數(shù)字化數(shù)據(jù)測(cè)量、邏輯運(yùn)算、故障判斷、保護(hù)及手動(dòng)操作等功能，又可向上位機(jī)傳送設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、開關(guān)位置及接受上位機(jī)發(fā)來的設(shè)定值。另外，與主機(jī)隔離，即使主機(jī)脫離運(yùn)行也不影響各測(cè)控保護(hù)單元功能。當(dāng)需要控制保護(hù)的設(shè)備增加時(shí)，只要在相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)柜上增設(shè)一個(gè)單元，便可迅速投入運(yùn)行。若某一單元出現(xiàn)故障，只需停運(yùn)該設(shè)備，更換相應(yīng)單元，并不影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。 三、系統(tǒng)參數(shù)分析 1、主要工藝參數(shù)金屬熔煉過程的主要工藝參數(shù)包括：UABP、UBCP、UCAP表示電爐變壓器的一次電壓，U1P、U2P、U3P表示二次電壓，IAP、IBP、ICP表示一次電流，TP表示油溫。 根據(jù)這些參數(shù)的瞬時(shí)值及其變化情況，可判斷生產(chǎn)狀況。如變壓器油溫顯著上升意味著變壓器可能過載或內(nèi)部漏電等。為使車間調(diào)度人員和技術(shù)人員實(shí)時(shí)觀測(cè)生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以迅速調(diào)整和確定各工序生產(chǎn)和設(shè)備運(yùn)行，控制各環(huán)節(jié)的參數(shù)，即應(yīng)用智能保護(hù)測(cè)控與監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電爐變壓器的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)與在線故障診斷，為車間生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和在線控制提供依據(jù)。 2、參數(shù)測(cè)量分析對(duì)上述參數(shù)測(cè)量采用了數(shù)字化測(cè)量。所謂電力參數(shù)采樣數(shù)字化測(cè)量，是對(duì)交流電信號(hào)進(jìn)行采樣，然后從交流參數(shù)（平均值、有效值、功率等）的基本定義出發(fā)進(jìn)行計(jì)算，得到測(cè)量結(jié)果的過程。在本系統(tǒng)中，需要對(duì)電爐變壓器的一次電壓、二次電壓、一次電流、二次電流及變壓器油溫等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。用微機(jī)進(jìn)行采樣計(jì)算來實(shí)現(xiàn)有效值的測(cè)量時(shí)，先對(duì)交流電信號(hào)進(jìn)行采樣，得到離散時(shí)間序列，假定每個(gè)周期采樣次數(shù)為N，電壓離散采樣值為Ui, 中頻煉鋼爐，電流離散采樣值為Ii，則電壓、電流的有效值可以按照數(shù)值積分進(jìn)行計(jì)算，用以下兩公式求得：式中T—周期，s；U（t）—電壓瞬時(shí)值，V；N—被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，次／s； U（i）—電壓信號(hào)采樣值，UO、UN為第一次、第N次采樣值，V；I（t）—電流瞬時(shí)值, 中頻真空熔煉爐，A；I（i）—電流信號(hào)采樣值，IO、IN為第一次、第N次采樣值，A。當(dāng)電壓及電流為離散值時(shí)，其平均功率為：為了消除測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差，對(duì)電流電壓等參數(shù)的采樣值采用加權(quán)平均濾波法進(jìn)行校正，對(duì)于變壓器油溫的測(cè)量數(shù)據(jù)，則采用一階遞推濾波法進(jìn)行校正。 四、抗干擾保護(hù) 中頻電爐變壓器運(yùn)行環(huán)境惡劣，故要求整機(jī)有較強(qiáng)的抗干擾能力，電路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電磁兼容性，數(shù)字邏輯的處理全部集成在可編程邏輯陣列中，從根本上提高裝置的抗電磁干擾能力。除了使電路設(shè)計(jì)、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環(huán)節(jié)盡可能完善外，電氣電路采用多級(jí)隔離，并設(shè)二級(jí)Watchdog電路。第一級(jí)為MCU內(nèi)置看門狗（WDT）電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動(dòng)恢復(fù)工作。第二級(jí)為X25043P提供的外置WDT電路，在第一級(jí)失效時(shí)（尤其在MCU本身已損壞時(shí)）強(qiáng)行復(fù)位，并封鎖輸出電路，保證在MCU發(fā)生故障時(shí)開關(guān)不會(huì)誤動(dòng)作。此外，考慮到負(fù)荷切換對(duì)主流電源產(chǎn)生的干擾、電子開關(guān)切換產(chǎn)生的諧震等，電路中又對(duì)浪涌干擾進(jìn)行了硬件保護(hù)。主要從電源、MCU和通信等幾部分設(shè)計(jì)了電路部分。硬件干擾設(shè)計(jì)的核心基于對(duì)低頻分量采用能量吸收和隔離，如設(shè)計(jì)電容吸收裝置，加入隔離變壓器；對(duì)于高頻分量采用吸收、減少偶合度和隔離后再吸收，目的為外部干擾提供一個(gè)能夠?yàn)a放的通路，減小電路的敏感度。從設(shè)計(jì)運(yùn)行看，以上保護(hù)措施使智能測(cè)控保護(hù)性能較以前更加穩(wěn)定。陜西西安海山電爐http://SXHSJD.jdzj.com
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