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基于CAN总线的异步电动机保护
xiao_xiao1 发表于 2009/9/25 15:41:31 640 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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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
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
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CAN20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。
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 。
(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。
(3)后台处理系统构成
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。
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