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新聞主題 |
柴油發電機組控制柜模塊的工作原理 |
柴油發電機組主控制器是發電機組的控制裝置，可實現對發電機組物理量的檢測并顯示，發動機的啟動、運行、（正常、緊急）停機等控制性操作，供電及負載檢測與切換，發電機組保護，故障診測，遠程通信遙測、遙控等。主控制器增強了發電機組運行的可靠性以及人機交流的方便性。本文以眾智HGM6320主控制器為例，主要講述該型控制柜模塊的工作原理、功能、參數設置以及使用方法。
一、控制系統特點
眾智HGM6320主控制器的主要功能是用于發電機組自動化及監控系統，實現發電機組的自動開機/停機、數據測量、報警保護及“三遙功能”。控制器采用大屏幕液晶（LCD）顯示，中/英文可選擇界面操作，操作簡單，運行可靠，其性能和特點如下所述。
① 以微處理器為核心，大屏幕液晶帶背光、可選中/英文顯示，輕觸按鈕操作。
② 精確測量和顯示功能：實現柴油發電機組及市電的電參量及水溫、油壓、油位等實時監測。
③ 控制保護功能：實現柴油發電機組自動開機/停機、負荷切換及報警保護功能。
④ 參數設置功能：允許用戶對其參數進行更改設定，同時記憶在內部FLASH存儲器內，在系統掉電時也不會丟失。
⑤ 內置速度/頻率檢測環節，可精確地判斷啟動成功、額定運行、超速狀態。
⑥ 可循環保存99組歷史記錄，并可在現場對記錄進行查詢。
⑦ 供電電源范圍寬DC 12～35V，能適應不同的啟動電池電壓環境。
⑧ 模塊化結構設計，可插拔式接線端子，嵌入式安裝方式，結構緊湊，安裝方便。眾智HGM6320 主控制器的主要技術參數見表1。
表1 眾智HGM6320主控制器的主要技術參數
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項目
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內容
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工作電壓
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DC 8.0～35.0V連續供電
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整機功耗
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＜3W（待機方式：≤2W）
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交流電壓輸入：
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三相四線
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15~360V AC(ph-N)
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三相三線
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30~600V AC(ph-ph)
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單相二線
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15~360V AC(ph-N)
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單相三線
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15~360V AC(ph-N)
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交流發電機頻率
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ZH09/09
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轉速傳感器電壓
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1～24V（有效值）
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轉速傳感器頻率
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最大10000Hz
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啟動繼電器輸出
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16A DC 28V直流供電輸出
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燃油繼電器輸出
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16A DC 28V直流供電輸出
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可編程繼電器輸出口1
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16A DC 28V直流供電輸出
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可編程繼電器輸出口2
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16A DC 28V直流供電輸出
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可編程繼電器輸出口3
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16A DC 28V直流供電輸出
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可編程繼電器輸出口4
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16A 250V AC無源輸出
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可編程繼電器輸出口5/發電合閘繼電器
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16A 250V AC無源輸出
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可編程繼電器輸出口6/市電合閘繼電器
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16A 250V AC無源輸出
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電池組電壓監測范圍
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0~100V DC
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機房溫度監測范圍
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0~50℃
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外形尺寸
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240mmx172mmx57mm
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開孔尺寸
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214mmx160mm
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電流互感器次級電流
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額定5A
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工作條件
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溫度：-25～＋70℃
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濕度：20％～90％無凝露
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儲藏條件
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溫度：-30～＋80℃
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防護等級
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IP55：當控制器和控制屏之間加裝防水橡膠圈時
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IP42：當控制器和控制屏之間沒有加裝防水橡膠圈時
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對象：在輸入/輸出/電源之間
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絕緣強度
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引用標準：IEC688
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質量
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試驗方法：AC 1.5kV/1min漏電流2mA
0.90kg
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二、基本結構
眾智HGM6320主控制器采用微電子技術，電路高度集成，結構緊湊，操作界面簡潔明了。
主控制器采用32位單片機作為核心控制器件，并進行適當外圍擴展，顯示單元采用具有低溫工作特性的熒光點陣顯示器，顯示各種參量的實時數字值，實現了數據分析、處理及控制智能化，并具備遙測、遙信、遙控功能。其硬件框圖如圖1所示，由CPU、A/D轉換電路、DC/DC轉換電路、工況選擇檢測電路、電壓檢測電路、轉速測量電路、輸出控制電路、按鍵接收電路、顯示電路和串行接口等部分組成。
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圖1 柴油發電機組控制器的結構示意圖 |
○ CPU：CPU為32位ARM單片機，因其沒有外部的地址總線、數據總線和控制總線。系統的結構簡單、可靠性高。
○ DC/DC轉換：自動裝置控制器的工作電源由24V蓄電池組提供，DC/DC轉換電路完成24V電壓轉換，為控制回路提供＋5V的工作電源。
○ 工況選擇：由工況選擇開關完成自動、手動和遙控三種工況選擇，并進行轉換。
○ 電壓檢測：完成市電電壓檢測和柴油發電機組電壓檢測，檢測信號輸入CPU。
○ 轉速測量：柴油機轉速由測速傳感器輸出的脈沖信號進入CPU，CPU將脈沖數轉換成相應的轉速。
○ 輸出控制：經CPU處理后，輸出的各種操作信號經鎖存器輸出，輸出的控制信號經放大單元放大后驅動直流繼電器，實現柴油機自啟動等控制操作。
○ 按鍵：設置啟動、停機、復位和消音等四個按鍵，采用觸摸鍵盤。
○ 顯示電路：采用低溫工作性能良好的熒光點陣顯示器作為控制器的數據顯示單元。該顯示器窗口為4行x10個中文漢字的矩形窗口，通過硬件監測與軟件控制。
○ 通信接口：CPU通信采用串行接口通信，擴展MAX202芯片構成RS-485串行接口，通過此接口與應用網絡相連，進行遠程遙測、遙信和遙控。
1、單片機
單片機微型計算機（single-chip microcomputer）簡稱單片機，就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數器和多種I/O接口電路集成到一塊集成電路芯片上構成的微型計算機。單片機特別適用于控制領域，故又稱為微控制器（Microcontroller）。
單片機主要具有以下特點。
① 可靠性高。
芯片是按照工業測控環境要求設計的，其抗工業噪聲干擾能力優于一般通用的CPU；程序指令、常數、表格固化在芯片內ROM中不易被破壞；許多信號通道均在一個芯片內，故可靠性高。
② 易擴展。
片內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片外部有許多擴展用的總線及并行、串行輸入/輸出引腳，可方便地構成各種規模的單片機應用系統。
③ 控制功能強。
為了滿足工業控制的要求，一般單片機的指令系統有極其豐富的條件分支轉移指令、I/O口的邏輯操作及位處理指令。一般說來，單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微處理器。
眾智HGM6320控制器的核心處理器型號為ATmega128A（其引腳定義如圖2和表2所示），該單片機是基于AVR（Automatic Voltage Regu-lation，電壓自動調整）、RISC（Re-duced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）結構的8位低功CMOS微處理器。AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有寄存器都直接與算術邏輯單元ALU(Arithmetic and Logic Unit) 相連接，使得一條指令可在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，且具有比普通的復雜指令集微處理器高10倍的數據吞吐率。
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圖2 柴油發電機組控制器單片機引腳示意圖. |
ATmega128A具有豐富的片上資源，在眾智HGM6320控制器內主要用到了以下內部模塊。
表2 單片機ATmega128A的引腳定義
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引腳序號
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引腳名稱
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引腳功能說明
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1
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PEN
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PEN是SPI（串行外設接口，Serial Peripheral Interface的縮寫）串行下載的使能引腳。在上電復位時保持PEN為低電平將使器件進入SPI串行下載模式。在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能
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2~9
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端口E（PE0～PE7）
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端口E為8位雙向I/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口E為三態。端口E也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍
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10~17
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端口B（PB0～PB7）
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端口B為8位雙向1/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口B為三態。端口B也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍
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33、34
43、
18、19
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端口G（PG0～PG4）
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端口G為5位雙向1/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口G為三態。端口G也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍在ATmega103兼容模式下，端口G只能作為外部存儲器的鎖存信號以及32kHz振蕩器的輸入，并且在復位時這些引腳初始化為PGO＝1、PG1＝1以及PG2＝0。PG3和PG4是振蕩器引腳
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20
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RESET
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復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統復位，低于此時間的脈沖不能保證可靠復位
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21、52
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VCC
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數字電路的電源
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22、53、63
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GND
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地
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23
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XTAL2
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反向振蕩器放大器的輸出
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24
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XTAL1
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反向振蕩器放大器及片內時鐘操作電路的輸入
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25~32
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端口D（PD0～PD7）
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端口D為8位雙向1/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口D為三態。端口D也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍
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35~42
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端口C（PC7～PCO）
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端口C為8位雙向I/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出
電流。復位發生時端口C為三態。端口C也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍。在ATmega103兼容模式下，端口C只能作為輸出，而且在復位發生時不是三態
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44~51
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端口A（PA7～PA0）
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端口A為8位雙向1/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口A為三態。端口A也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關專業書籍
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54~61
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端口F（PF7～PFO）
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端口F為ADC的模擬輸入引腳。
如果不作為ADC的模擬輸入，端口F可以作為8位雙向I/O口，并具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發生時端口F為三態。如果使能了JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試行動小組，是一種國際標準測試協議，IEEE1149.1兼容）接口，則復位發生時引腳PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉電阻使能。端口F也可以作為JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作為輸入引腳
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62
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AREF
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AREF為ADC的模擬基準輸入引腳
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64
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AVCC
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AVCC為端口F以及ADC轉換器的電源，需要與VCC相連接，即使沒有使用ADC也應該如此。使用ADC時應該通過一個低通濾波器與VCC連接
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① 輸入輸出端口
ATmega 128A單片機總共有6個8位并行I/O端口，分別記作PA0～PA7、PB0～PB7、PCO～PC7、PD0～PD7、PEO～PE7、PF0～PF7和1個5位并行I/O端口PG0～PG4。每個端口為準雙向口，都具有讀-修改-寫的功能，每一條I/O線都能夠獨立地用作輸入或輸出。單片機I/O端口的電路設計非常巧妙，熟悉I/O端口邏輯電路，不但有利于正確合理地使用端口，而且會對設計單片機外圍邏輯電路有所啟發。
單片機每個端口除了一般的數字I/O功能之外，大多數端口引腳都具有第二功能。如端口PORTA的第二功能為擴展三總線的地址/數據總線的低8位；端口PORTB的第二功能主要有SPI串行控制器接口、定時/計數器的比較輸出和PWM輸出接口；端口PC的第366二功能為地址總線的高8位；端口PORTD的第二功能為串行通信接口、外中斷申請信號輸入接口和定時/計數器時鐘輸入接口等。
眾智HGM6320控制器應用單片機輸入輸出端口的場合有：開關量輸入檢測，如緊急停機、油壓低停機報警信號、水溫高停機報警信號；開關量輸出控制，如8個繼電器的控制。
② 模數轉換器
模數轉換器ADC是模擬信號源和計算機之間聯系的橋梁，其任務是將連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號，以便計算機進行運算、存儲、控制和顯示等。由于應用場合和要求不同，因而需要采用不同工作原理的A/D轉換器，主要有逐次逼近式、雙斜積分式、電壓-頻率式、并行式等幾種。ATmega128A有一個10位的逐次逼近型模數轉換器ADC。ADC與一個8通道的模擬多路開關連接，能對來自PORTF的8路單端輸入電壓進行采樣。
逐次逼近式A/D轉換器也稱為連續比較式A/D轉換器。這是一種采用對分搜索原理來實現A/D轉換的器件，邏輯框圖如圖3所示。它主要由比較器、N位寄存器、D/A轉換器、時序與控制邏輯電路以及輸出緩沖器（鎖存器）等五部分組成。
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圖3 柴油發電機組控制器逐次逼近式轉換原理框圖 |
其工作原理為：啟動信號作用后，時鐘信號在時序與控制邏輯電路作用下，首先使寄存器的最高位輸出DN-1＝1，其余位為“0”，N位寄存器的數字量一方面作為輸出用，另一方面經D/A轉換器轉換成模擬量VH后送到比較器輸入端，在比較器中與被轉換的模擬量Vx進行比較，時序與控制邏輯電路根據比較器的輸出進行判斷。若VX≥VH，則保留這一位；若VX＜VH，則使DN-1＝0。DN--1位比較完后，再對下一位DN-2進行比較，使DN-2＝1，與上一位DN-1位一起送入D/A轉換器，轉換后再進入比較器，與VX比較，······，如此一位一位地繼續下去，直到最后一位D0比較完畢為止。此時，DONE發出信號表示轉換結束。這樣經過N次比較后，N位寄存器的數字量即為VX所對應的數字量。
眾智HGM6320控制器應用單片機的模數轉換器，將市電/發電電壓/電流、水溫傳感器和油壓傳感器等電壓信號轉換成數字量。
③ 定時/計數器
ATmega128A單片機的內部有2個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8位定時/計數器和2個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時/計數器，它們都有定時和事件計數功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數和檢測、PWM信號產生等場合。眾智HGM6320控制器應用單片機的定時/計數器測量轉速傳感器的脈沖頻率，計算出發動機的轉速。
④ 串行通信接口
串行通信接口，其全稱為通用同步或異步串行接收/發送器（US-ART，Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），是一個全雙工串行通信接口，即能同時進行串行發送和接收。它可作通用異步接收和發送器用，也可作同步移位寄存器用。應用串行接口可實現單片機系統之間點對點的單機通信、多機通信和單片機與系統機（如PC機等）的單機或多機通信。在串行通信設計中，要保證通信雙方的通信波特率和工作方式要一致。一般通信波特率可選為300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps和57600bps，而工作方式的選擇需要確定數據位數、停止位數和奇偶校驗位等。
2、人-機接口電路
人-機界面是操作人員與控制器進行信息交互的渠道，主要由信息輸出顯示和指令輸入兩部分。人-機接口電路主要由液晶顯示器、發光二極管和按鍵輸入電路組成。
3、模擬量輸入接口電路
發電機組主控制器實時檢測發電機組的許多模擬量，包括水溫、油壓、直流電壓、交流電流和交流電壓等，下面分別介紹各種模擬量的檢測接口電路和原理。
① 電阻型傳感器輸入接口電路
水溫傳感器和壓力傳感器均可采用電阻型傳感器，即傳感器內置一個隨著溫度和壓力變化而阻值變化的電阻，其檢測接口電路和檢測原理是相同的。接口電路的作用是將變化的電阻轉換成0～3.3V的直流電壓，如圖4所示。
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圖4 柴油發電機組模擬輸入接口電路原理圖 |
上拉電阻R1一端提供3.3V的基準電壓AREF。與水溫傳感器的溫變電阻串聯分壓得到U1OPS，R2和C1組成RC濾波電路，U1OPS經RC濾波后送入單片機內部的模數轉換器的輸入接口OPL1，經過AD轉換后，得到對應的數字量。
下式是上拉電阻和溫變電阻分壓后的電壓計算公式：
.......................................(公式1)
式中 U1OPS——水溫傳感器與上拉電阻的分壓電壓值；
UAREF——基準電壓；
RT——水溫傳感器的溫變電阻值；
R1——上拉電阻值。
下式是單片機模數轉換器的轉換公式：
.......................................(公式2)
式中，DX為經AD轉換后單片機得到的數字量。
由式（公式1）和式（公式2）可得到數字量與電阻的關系為：
....................................... (公式3)
由上式可知，電路中R1為300Ω，UAREF為3.3V，當單片機測量得到該端口電壓D就可得到溫變電阻Rr的阻值，查表6-3就可得到溫度值。
②直流電壓整形電路 直流電壓整形電路是將電池電壓或充電機電壓進行降壓和濾波后，轉換成0～3.3V的直流電壓，送入單片機的模擬輸入端口進行模數轉換。電路原理圖如圖5所示，R1和R2對輸入電壓進行分壓，經無極電容C1和電解電容C2進行濾波，穩壓二極管VD1可吸收高于5V的電壓尖峰，對單片機的模擬輸入端口進行防過壓保護。單片機測量的直流電壓公式如下所示：
.......................................(公式4)
式中 VIN——測量得到的直流電壓值；
DX——經AD轉換后單片機得到的數字量。
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圖5 柴油發電機組控制器直流電壓整形電路原理圖 |
③ 交流電流采樣整形電路
發電機組主控制器需要實時檢測市電電壓、發電機輸出電壓、負載電流，并計算出負載的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和累計電能等。對負載電流的轉換是通過兩組互感器實現的，通過電流互感器將發電機組輸出電流轉換成0～5A的交流電信號，該電流送入發電機組主控制器的三個精密電流互感器，三相電流分別從IA、IB、IC流入三個精密電流互感器，進入公共端ICOM（如圖6所示）。在每個精密電流互感器的輸出端，感應出0～5mA電流，分別通過電阻R1、R2和R3變成交流電壓，并將電壓抬高（基準電壓VREF 為AREF/2，即1.65V），將VIA、VIB和VIC電壓變換在0～3.3V范圍內，用于單片機的模數轉換器的單端輸入模式。單片機的模數轉換器對輸入的交流電壓進行交流采樣，按傅里葉算法計算出幅值和相位，再根據互感器的變比，計算出實際電流值。
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圖6 交流電流采樣整形電路原理圖 |
④ 交流電壓采樣整形電路
對市電電壓和發電機輸出電壓的測量，是直接將電壓信號進行降壓和基準抬升，轉換成0～3.3V的信號，交流電壓采樣整形電路原理圖如圖7所示。輸出UAIN與輸出UA1的關系為：
.......................................(公式5)
單片機的模數轉換器對輸入的交流電壓進行交流采樣，按傅里葉算法計算出幅值和相位，按電路的放大倍數，可計算出實現電壓值、功率因數、有功功率、無功功率、視在功率和累計電能。
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圖7 交流電壓采樣整形電路原理圖 |
4、開關量輸入接口電路
開關量輸入接口電路可以將發電機組中傳感器的開關狀態和電平變化狀態整理為0或5V的規則電壓，送入單片機的輸入端口。圖6-17是開關量輸入接口電路原理圖，當開關K斷開時，二極管VD1截止，SW1的信號由R1和R2連接到VCC，電壓為5V；當開關K閉合時，二極管VD1導通，SW1的信號由R2、VD1和K連接到GND，電壓為0V左右。在電路中增加二極管VD1，是為了保護輸入單片機端口的電壓不能過高，當開關K斷開時，引腳1OPL可能會引入高電壓，如靜電或意外接入高電平，若沒有二極管，高電壓會通過R2引入單片機端口，燒毀單片機；加入二極管后，當1OPL電壓高于VCC時，二極管VD1反向截止，高電壓就不可能通過VD1竄入單片機端口。
圖8是檢測電平信號變化的接口電路，當外部電壓STOP低于4.2V時，經R1和R2串聯分壓后，三極管Q1基極電壓低于0.7V，Q1截止，STOPIN經R3連接到VCC，輸出電壓為VCC；當外部電壓高于4.2V時，經R1和R2分壓后，Q1基極電壓高于0.7V，Q1導通，STOPIN經Q1連接到GND，輸出為OV。當STOP輸入反向電壓時，電流經二極管VD1和R1形成回路，保護Q1基極和發射極不被反向擊穿。
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圖8 檢測電平信號變化的接口電路 |
5、開關量輸出接口電路
發電機組主控制器對執行器的控制，主要是通過繼電器實現的，圖9是繼電器輸出電路原理圖。繼電器由線圈和觸點組成，線圈的工作電源由VREL提供（9V）；觸點由公共觸點COM、常開觸點NO和常閉觸點NC組成，在繼電器不動作時，公共觸點COM與常閉觸點NC連通，繼電器動作時，公共觸點COM與常開觸點NO連通。當單片機輸出端口RELO輸出高電平時，三極管Q1導通，繼電器線圈產生較強磁場，吸合觸點動作，COM與NO連通；當單片機端口RELO輸出低電平時，三極管Q1截止，繼電器線圈失電，觸點在彈簧作用下恢復，COM與常閉觸點NC連通。
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圖9 繼電器輸出電路原理圖 |
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