專利名稱：基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于雙ProfibUS-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，屬 于電力系統(tǒng)自動化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
400V低壓保護(hù)測控裝置，可用于電廠廠用電或工礦企業(yè)的380V系統(tǒng)，由線路保 護(hù)，電動機(jī)保護(hù)，測控裝置等組成。目前400V裝置多采用MCU+外置A/D控制器+外置FLASH+ 外置RAM+串口控制器等組成，其MCU系統(tǒng)集成度低，要外接存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器，導(dǎo)致外部 總線設(shè)計復(fù)雜，容易降低裝置的整體穩(wěn)定性；裝置多采用RS485通信方式，總線速率低且通 信協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致解決系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)中通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題越來越突出，已影響到自動化系 統(tǒng)的性能、工期、成本和系統(tǒng)穩(wěn)定。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于實現(xiàn)400V低壓保護(hù)測控裝置的實時總線通 訊功能，本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單、且運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的400V低壓保護(hù)測控裝置。本實用新型所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種易于安裝、調(diào)試、維護(hù)的400V 低壓保護(hù)測控裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的一種基于雙Profibus-DP總線接口的 400V低壓保護(hù)測控裝置，包括交流模塊用于線路或電動機(jī)的模擬量輸入以變化的采樣頻率進(jìn)行電流、電壓采 樣；開入模塊用于檢測斷路器、接觸器等位置信息；CPU模塊用于處理A/D模件傳來的數(shù)據(jù)，執(zhí)行設(shè)定的保護(hù)、測控及通信功能；開出模塊通過繼電器操作斷路器及接觸器，發(fā)送動作、告警信號；其特征在于，還包括雙Profibus-DP通信接口模塊與MCU連接，并通過 Profibus-DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連，與上位機(jī)交互信息，便于上位機(jī)實施監(jiān) 控。前述的基于雙ProfibUS-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其特征在于，所 述交流模塊電路包括信號調(diào)理電路對輸入的電壓、電流信號進(jìn)行隔離、放大及RC濾波處理后接入MCU 中的A/D轉(zhuǎn)換電路；A/D轉(zhuǎn)換電路即中央處理器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊，由STMicroelectronics公司的 處理器STM32F103片上集成的12位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。所述信號調(diào)理電路中的小PT、CT分別將電壓、電流均轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)濾波 電路處理后送入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。前述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其特征在于所述的開入模塊電路由光耦隔離及濾波電路構(gòu)成，220V或IlOV強(qiáng)電開入量經(jīng)光耦隔離輸出 的電信號送入濾波電路，以防止開入量信號的防抖，同時在軟件中也增加防抖算法。前述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其特征在于所 述的CPU模塊電路包括STM32F103芯片、晶振電路、復(fù)位電路、MCU內(nèi)置看門狗、MCU內(nèi)置 Flash及MCU內(nèi)置SRAM。所編軟件含通信、人機(jī)界面、保護(hù)及圖形化邏輯功能模塊。軟件程 序執(zhí)行設(shè)定的保護(hù)、測控及通信功能；晶振電路向STM32F103芯片提供時鐘信號。其中基 于突破性的ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器STM32F103芯片是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā) 的內(nèi)核，支持Thumb-2指令集，使其中斷響應(yīng)時間大幅度提高；該微處理器最大主頻72MHz， 1. 25DMIPS/MHz，包含大容量快速閃存、RAM，多達(dá)18個12位的A/D轉(zhuǎn)換器通道，12路DMA通 道，8個定時器(支持IC/0C/PWM或脈沖計數(shù)器模式)，大量高速I/O 口，2個watchdog，一 個系統(tǒng)定時器，5個UART，2個SPI，1路USB Device接口。前述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其特征在于所 述的開出模塊包括啟動繼電器、動作繼電器及信號繼電器；啟動繼電器動作后動作繼電器 才允許動作，信號繼電器取常閉點，包含告警和失電功能。所有繼電器為5V繼電器，中央處 理器通過I/O控制負(fù)載驅(qū)動管，負(fù)載驅(qū)動管控制繼電器線圈。其中KlA用作啟動繼電器，開 出模塊中的繼電器公共端CHKl接 入MCU中的I/O 口 PC7上用于繼電器的自檢。前述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其特征在于所 述的雙Prof ibus-DP總線接口硬件電路由雙協(xié)議控制器及雙RS-485接口電路構(gòu)成。協(xié)議控 制器選用Prifichip公司的VPC3+C從站芯片，該芯片支持DP-V0/V1/V2功能，內(nèi)部集成4K 的SRAM。所述Profibus-DP協(xié)議控制器芯片VPC3+C通過并行數(shù)據(jù)線、地址線與STM32F103 主芯片相連，并通過Profibus-DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連，實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸。 對于STM32F103而言，VPC3+C相當(dāng)于它擴(kuò)展的一個外部RAM，通過靈活靜態(tài)存儲控制器FSMC 與其相連，A、B網(wǎng)芯片分別使用NE2、NE3為片選。設(shè)計中，VPC3+C使用4K的Intel異步 模式，4K內(nèi)存模式下管腳(PIN24)ALE/AS/AB11應(yīng)為地址線All，Intel異步模式相應(yīng)的管 腳 XINT/M0T(PIN8) ,MODE (PIN23)均為 0，數(shù)據(jù)線 DB0-DB7 與 STM32F103 的數(shù)據(jù)線 D0-D7 相 連，地址線ABO-ABlO與STM32F103的地址線AO-AlO相連。RS-485接口電路中光耦選用 HCP0601，收發(fā)器選用MAX485，為防止使本節(jié)點故障或上電復(fù)位時不影響總線功能，VPC3+C 的請求發(fā)送RST管腳經(jīng)光耦隔離反相邏輯傳輸，再經(jīng)反門MM74HC04M接入收發(fā)器MAX485的 發(fā)送使能DE管腳。本實用新型的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置工作原理 為交流測量電路對線路或電動機(jī)的模擬量輸入以變化的采樣頻率進(jìn)行電流、電壓采樣，開 入量輸入電路采集斷路器或接觸器等的位置信息，MCU將采集的模擬量利用傅氏算法計算 采樣結(jié)果，同時將計算出的電壓、電流做啟動判別，按程序設(shè)定的方式控制出口驅(qū)動回路; 通過Prof ibus-DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連，與上位機(jī)交互信息，便于上位機(jī)實 施監(jiān)視和控制。本實用新型所達(dá)到的有益效果本實用新型利用Profibus-DP通信專用芯片，使用高性能MCU增強(qiáng)型STM32F103 作為中央處理器，實現(xiàn)具有雙Profibus-DP總線功能的400V低壓保護(hù)測控裝置的低成本設(shè) 計方案，最終將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)雙Profibus-DP總線傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過Profibus-DP總線發(fā)送命令實現(xiàn)斷路器或接觸器的分、合操作及保護(hù)信息的管理。本實用新型的400低 壓保護(hù)測控裝置硬件平臺具有高性能、通用性、經(jīng)濟(jì)性、抗干擾性、可擴(kuò)展性，軟件采用圖形 化編程技術(shù)實現(xiàn)保護(hù)、測控、通信一體化功能，結(jié)構(gòu)簡單，能更好的適應(yīng)電廠廠用電和工礦 企業(yè)的380V系統(tǒng)的需求，提高了廠用電氣自動化系統(tǒng)的實時性及可靠性；同時，易于安裝 與調(diào)試。

圖1是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的交流采樣示意圖；圖3是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的開入量輸入示意圖；圖4是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的CPU電路示意圖；圖5是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的出口驅(qū)動回路示意圖；圖6是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的PR0FIBUS-DP總線接口 A網(wǎng)硬件電 路圖；圖7是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的PR0FIBUS-DP總線接口 B網(wǎng)硬件電 路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步說明。圖1是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。一種基于雙 Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，它采用STMicroelectronics公司的高性 能MCU增強(qiáng)型STM32F103作為中央處理器，整個裝置由電源模塊、交流模塊、CPU模塊、開入 模塊、出口模塊、人機(jī)界面模塊及雙Profibus-DP通信接口模塊組成。其中交流模塊由信號 調(diào)理電路和A/的轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成；信號調(diào)理電路將采集的電壓、電流信號處理后送入MCU的 A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。開入模塊由光耦隔離及濾波電路構(gòu)成。CPU模塊由STM32F103芯片、 晶振電路及復(fù)位電路等組成；晶振電路向STM32F103芯片提供時鐘信號。開出模塊由5路 繼電器組成。圖2是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的交流采樣示意圖。上述所說的交流模 塊電路由信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成；信號調(diào)理電路中采用精密PT、CT變換器分別 將電壓、電流均轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)濾波電路處理后送入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。圖3是本實用新型4 OOV低壓保護(hù)測控裝置的開入量輸入示意圖。上述所說的開 入量輸入電路由光耦隔離及濾波電路構(gòu)成；220V或IlOV強(qiáng)電開入量經(jīng)光耦隔離輸出的電 信號送入濾波電路，以防止開入量信號的防抖，同時在軟件中也增加防抖算法。圖4是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的CPU電路示意圖上述所說的CPU模 塊電路由STM32F103芯片、晶振電路、復(fù)位電路、M⑶內(nèi)置看門狗、M⑶內(nèi)置Flash及MCU內(nèi) 置SRAM等組成。所編軟件含通信、人機(jī)界面、保護(hù)及圖形化邏輯功能模塊。軟件程序執(zhí)行 設(shè)定的保護(hù)、測控及通信功能；晶振電路向STM32F103芯片提供時鐘信號。圖5是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的出口驅(qū)動回路示意圖。上述所說的 開出模塊電路由啟動繼電器、動作繼電器及信號繼電器構(gòu)成。其中KlA用作啟動繼電器，出口模塊中的繼電器公共端CHKl接入MCU中的I/O 口 PC7上用于繼電器的自檢。圖6是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的PR0FIBUS-DP總線接口 A網(wǎng)硬件電路 圖。上述所說的PR0FIBUS-DP總線接口 A網(wǎng)硬件電路由協(xié)議控制器及RS-485接口電路構(gòu) 成。協(xié)議控制器選用Prifichip公司的VPC3+C從站芯片，該芯片支持DP-V0/V1/V2功能，內(nèi) 部集成4K的SRAM。對于STM32F103而言，VPC3+C相當(dāng)于它擴(kuò)展的一個外部RAM，通過靈活 靜態(tài)存儲控制器FSMC與其相連，A、B網(wǎng)芯片分別使用NE2、NE3為片選。設(shè)計中，VPC3+C使 用4K的Intel異步模式，4K內(nèi)存模式下管腳(PIN24)ALE/AS/AB11應(yīng)為地址線All，Intel 異步模式相應(yīng)的管腳XINT/M0T(PIN8)、MODE (PIN23)均為0，數(shù)據(jù)線DB0-DB7與STM32F103 的數(shù)據(jù)線D0-D7相連，地址線AB0-AB10與STM32F103的地址線A0-A10相連。RS-485接口 電路中光耦選用HCP0601，收發(fā)器選用MAX485，為防止使本節(jié)點故障或上電復(fù)位時不影響 總線功能，VPC3+C的請求發(fā)送RST管腳應(yīng)經(jīng)光耦隔離反相邏輯傳輸，再經(jīng)反門MM74HC04M接 入收發(fā)器MAX485的發(fā)送使能DE管腳。圖7是本實用新型400V低壓保護(hù)測控裝置的PR0FIBUS-DP總線接口 B網(wǎng)硬件電 路圖。上述所說的PR0FIBUS-DP總線接口 B網(wǎng)硬件電路與圖6大致相同，其中圖6中的晶 振電路及反門匪74HC04M為A、B網(wǎng)共用回路。本實用新型涉及帶兩個Profibus-DP總線接口的400V電壓保護(hù)測控裝置，采 用STMicroelectronics公司的高性能MCU增強(qiáng)型STM32F103作為中央處理器，整個裝置 采用分體式模塊設(shè)計，包括電源模塊、交流模塊、CPU模塊、開入模塊、出口模塊、人機(jī)界面 模塊及雙Profibus-DP通信接口模塊。其特征在于通過交流模塊采集電壓、電流；開入 模塊采集斷路器、接觸器等位置信息；CPU模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，執(zhí)行設(shè)定的 保護(hù)、測控功能；出口模塊中的繼電器驅(qū)動一次設(shè)備的分、合閘及動作、告警信號的輸出； 兩個Profibus-DP通信接口，采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計，一路故障時不影響另一路正常運(yùn)行，保 證信息可靠的交互。協(xié)議中實現(xiàn)Profibus-DP V0/V1功能，利用Profibus-DPVO將采集 的電壓、電流、功率等模擬量信息、斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)等開關(guān)量信息、保護(hù)元件告警 及動作信息發(fā)送至Profibus-DP主站，主站通過輸出命令進(jìn)行斷路器的分、合操作；利用 Profibus-DPVl功能，實現(xiàn)裝置對時、定值讀寫、軟壓板讀寫、電度量及保護(hù)模擬量的讀取功 能。本實用新型的上述實施方式具有以下特點1.可直接驅(qū)動斷路器，也可與接觸器配合實現(xiàn)保護(hù)功能；2.電流測量精度為0. 5級，電壓和功率測量精度為1級；3.具有一路4_20mA直流模擬量輸出，取代交流采集變送器；4.最多11路用戶可自定義名稱的開入量接口，最多4路開關(guān)量可邏輯編程；5.失壓重啟，正、反轉(zhuǎn)等電機(jī)控制功能；6.有效、可靠的TV斷線判據(jù)，有效防止電機(jī)低電壓元件誤動作；7.兩個Profibus-DP (或RS485)通信接口，標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，雙網(wǎng)冗余，一路故障時不影響另一路正常運(yùn)行，在ECS系統(tǒng)的工程師站上通過Profibus通訊 網(wǎng)絡(luò)完成400V裝置的功能設(shè)置與整定；8.主控制器、顯示操作終端、CT互相獨立，可分別安裝與調(diào)試；9.主控制器帶有USB接口，可以通過USB維護(hù)和調(diào)試；[0049]10.高抗干擾性能，通過10項電磁兼容檢測認(rèn)證，快速瞬變、脈沖磁場、浪涌抗干 擾性能均達(dá)到最高等級(IV級)標(biāo)準(zhǔn)；11.本實用新型的400V低壓保護(hù)測控裝置實現(xiàn)了保護(hù)、測控及通信一體化，具有 廣闊的市場應(yīng)用前景。本實用新型的保護(hù)范圍不限于具體實施方式
中的保護(hù)范圍，對具體實施方式
所做 出的不需創(chuàng)造性勞動的變形都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種基于雙Profibus DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，包括交流模塊對線路或電動機(jī)的模擬量輸入以變化的采樣頻率進(jìn)行電流、電壓采樣；開入模塊用于檢測斷路器、接觸器等位置信息；CPU模塊用于處理A/D模塊傳來的數(shù)據(jù)，執(zhí)行設(shè)定的保護(hù)、測控功能；開出模塊通過繼電器操作斷路器及接觸器，發(fā)送動作、告警信號，其特征在于還包括雙Profibus DP通信接口模塊，其與MCU連接，并通過Profibus DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連，與上位機(jī)交互信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其 特征在于，所述的交流模塊包括信號調(diào)理電路對輸入的電壓、電流信號進(jìn)行隔離、放大及RC濾波處理后接入MCU中的 A/D轉(zhuǎn)換電路；A/D轉(zhuǎn)換電路即中央處理器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊，由STMicroelectronics公司的處理 器STM32F103片上集成的12位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成；所述信號調(diào)理電路中的精密PT、CT變換器分別將電壓、電流均轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng) 濾波電路處理后送入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝 置，其特征在于，所述的開入模塊電路由光耦隔離及濾波電路構(gòu)成，220V或IlOV強(qiáng)電開入 量經(jīng)光耦隔離輸出的電信號送入濾波電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置， 其特征在于，所述的CPU模塊包括STM32F103芯片、晶振電路、復(fù)位電路、MCU內(nèi)置看門狗、 MCU內(nèi)置Flash及MCU內(nèi)置SRAM，所述晶振電路向STM32F103芯片提供時鐘信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其 特征在于，所述的開出模塊包括啟動繼電器、動作繼電器及信號繼電器，中央處理器通過I/ O控制負(fù)載驅(qū)動管，負(fù)載驅(qū)動管控制繼電器線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，其 特征在于，所述的雙Profibus-DP總線接口模塊包括兩路協(xié)議控制器及兩路RS-485接口電 路，所述Profibus-DP協(xié)議控制器的芯片VPC3+C通過并行數(shù)據(jù)線、地址線與STM32F103主 芯片相連，并通過Profibus-DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于雙Profibus-DP總線接口的400V低壓保護(hù)測控裝置，包括交流模塊，對線路或電動機(jī)的模擬量輸入以變化的采樣頻率進(jìn)行電流、電壓采樣；開入模塊，用于檢測斷路器、接觸器等位置信息；CPU模塊，用于處理A/D模件傳來的數(shù)據(jù)，執(zhí)行設(shè)定的保護(hù)、測控功能；開出模塊通過繼電器操作斷路器及接觸器，發(fā)送動作、告警信號，其特征在于還包括雙Profibus-DP通信接口模塊，其與MCU連接，并通過Profibus-DP總線接口和通訊電纜與上位機(jī)相連，與上位機(jī)交互信息。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，提高了廠用電氣自動化系統(tǒng)的實時性及可靠性；同時，易于安裝與調(diào)試。
文檔編號H02J13/00GK201656556SQ20092025701
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者樂凌志, 楊淑平, 鄭郁, 魏凱, 黃作兵 申請人:國電南京自動化股份有限公司