單片機用于變壓器油面溫度測溫控制

安順供電局 貴州 安順 561000

1 引言

電力變壓器是發電廠和變電站的主要設備之一。變壓器的作用是多方面的,不僅能升高電壓把電能送到用電地區,還能把電壓降低為各級使用電壓,以滿足用電的需要。總之,電網的升壓與降壓都必須由變壓器來完成,它是輸變電的樞紐。隨著城鎮化的加速發展,必然造成線路用電負荷激增,但是相應的電力基礎設施的建設相對滯后,一個表現就是電力變壓器沒有按規模同步增加,這就形成了大部分電力變壓器超負荷運行。在用電負荷明顯過大的情況下,電力變壓器會產生過負荷發熱現象,雖然并不會立即導致變壓器損壞,但是相對于同等容量正常負荷運行的其他變壓器相比,發熱異常的電力變壓器使用壽命更低,突發損壞的風險明顯增加,運行穩定性變差。另一方面,即使在沒有過負荷的變壓器上,變壓器過熱現象也依然存在,很多對供電要求較高的地方只能采用雙電源供電,這樣必然導致用電成本的大幅增加。

為了保障電力變壓器的長期穩定運行,變壓器溫度指示控制器的引入起到了重要作用。常用的溫度指示控制器是采用機電一體化的原理而設計的,例如BWY-804J(TH),如圖1所示。

圖1 電力變壓器溫度指示控制器

2 針對常規電力變壓器溫度指示控制器的改進

對于常規電力變壓器溫度指示控制器在運行過程中可能出現的誤動作狀況,本文提出了一種結合微型單片計算機(即單片機或MCU控制器)的解決方案。單片機本質上是一種數字集成電路芯片,是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能(通常還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統,在工業控制領域應用及其廣泛。單片機將數據運算與處理能力集成到芯片中,憑借著強大的數據處理技術和計算功能,實現功能強大的邏輯控制以及對數據的高速化處理。具體到本設計方案中,由于系統主要是對變壓器油面溫度進行檢測以及控制儀表開關觸點的吸合,主要傳輸的是傳感器信號和控制信號,而非高速的數據通信信號,因此采用8位單片機即可滿足設計要求,具體型號是國產IAP15W4 K系列單片機。該型單片機采用了增強型8051內核,大幅提高了傳統8051單片機的運行速度,增設了眾多功能單元電路,同時具備極好的程序加密型。還有一個重要特性就是具備在應用編程功能,即在不停機的狀態下用戶可寫入新的控制指令,為實現系統在連續運行狀態下進行在線升級提供了極大便利,這就使得該型單片機相對于其他類型單片機具備了更好的環境適應性,可以根據現場的實際狀況靈活添加或更改控制功能。

具體到本方案,我們的改進措施體現在以下幾方面:

(1)將儀表輸出電流信號引入單片機進行二次處理。由于電力變壓器溫度指示控制器可將油溫的變化輸出為一個對應成比例4-20m A的工業標準直流電流信號,本方案首先將此電流信號通過一個電流變送器轉換為對應成比例的0-5 V直流電壓,之所以要進行這一步轉換是因為單片機上的模/數轉換單元ADC不能夠直接以電流作為輸入,但是可以接收直流電壓作輸入并轉換成對應數字量供后續進一步處理。為了提高模/數轉換的準確度,必須讓輸入直流電壓量程盡可能與單片機ADC參考電壓(+5V)接近,因此本方案采用了專用的電流/電壓變送模塊實現這一要求。

(2)設置人機界面(HMI)實現參數的現場設定。原電力變壓器溫度指示控制器內裝有四組可調控制開關和對應的溫度設定機械凸輪,通過機械凸輪可以讓儀表本身設定各組控制開關的動作溫度,當儀表測得溫度超過此溫度時,微動開關動作,觸點接通控制回路。如前所述,由于在安裝部署或者檢修過程中常因為人為不小心觸碰儀表內器件、接點受潮凝露、回路絕緣不夠等會導致觸點誤動作,因此在本方案中,我們通過人機界面(由按鍵電路與LCD1602字符型液晶顯示器構成)的引入,通過單片機采集按鍵動作狀態,實現對儀表內各組控制開關的選擇以及對應動作溫度和儀表量程的設定。具體設置四個按鍵:K1(控制開關所屬組選擇,組的數量與儀表控制開關組數一致且對應);K2(儀表溫度量程上下限選擇);K3(設定值加1);K4(設定值減去1)。在實際操作過程中,以常用儀表BWY-804J(TH)為例,其內部有四組凸輪和相應數量控制開關,在按下K1按鍵過程中,單片機程序對其按下次數進行統計計數,其結果用變量count_k1表示,count_k1的變化范圍從1-4周而復始(即按下第一次K1則count_K1為1,第二次為2,以此類推,超過第四次又重新回1),程序根據它的當前值就可以判定目前選擇的是第幾組控制開關;對按鍵K2也做類似處理,統計變量為count_K2,值的范圍從1-2,count_K2為1時對應于儀表的量程下限選擇,count_K2為2時對應于儀表的量程上限選擇;對按鍵K3,按下一次,根據前面K1或者K2是哪一個按下,使得對應參數(選中的開關組的動作溫度或者選中的量程的上下限)減1攝氏度;對按鍵K4,則類似K3按鍵處理,對應值加1攝氏度。通過這種按鍵次數軟件計數判別的方法,可以大大節約按鍵的使用數量,簡化了硬件設計。

(3)增設繼電器單元向控制回路提供觸發信號。本方案在硬件電路上增設繼電器單元,繼電器的數量與儀表的實際啟用的控制開關組數相同。其目的是在不破壞儀表原始構造,新增設的繼電器觸點是在收到來自單片機的合閘信號后導通,單片機讀取儀表的輸出信號及導通信號,當接點導通時讀取儀表輸出信號,確定儀表輸出信號大于設定值再輸出合閘信號。而人為誤動或者儀表接點受潮短接后,單片機讀取的儀表輸出未到設定值,單片機輸出分閘信號,觸點不動作。新增設的繼電器觸點的動作只受單片機的控制,而與儀表的微動開關無關。在具體電氣連接過程中,斷開儀表的原生開關觸點與冷卻報警控制回路的-110 V端鈕,而將新增繼電器的對應觸點接入控制回路。這樣即使存在安裝檢修狀態下人為原因誤觸碰到儀表內部,只要此刻單片機不輸出觸發信號,繼電器的觸點就不存在誤接通控制回路的狀況發生,從而徹底解決傳統儀表所面臨的上述問題。

3 系統設計

將上述設計思路變成現實,本設計需要解決兩方面的問題:第一是硬件電路的設計,其關鍵是主控系統電路功能劃分,器件選型,信號接口設計等;第二是軟件系統設計,這部分需要與硬件電路相配合,通過軟件運行控制方式充分發揮系統的靈活性和適應性。

3.1 系統設計方案 根據設計要求,系統結構框圖如圖2所示:

圖2 系統結構框圖

整個系統由多個單元相互連接構成,各單元功能如下:

(1)單片微型計算機(MCU單元):該單元是整個系統的核心,承擔著直流電壓信號采集、接點導通電信號變化采集、按鍵電路檢測處理、LCD液晶顯示器顯示驅動,繼電器觸點控制等一系列功能。該單元啟用定時控制方式周期性地采集從電流變送器傳輸進來的電壓信號,經過內部ADC單元的轉換,得到對應溫度的數字量,并進一步與各組設定動作溫度進行比較,一旦發現當前采集到的溫度達到或超過四組當中某一組的設定值時,則驅動對應繼電器線圈通電,其觸點隨即接通電力變壓器冷卻報警控制回路工作。反之,當前溫度值低于該組設定值時,對應繼電器失電,觸點斷開控制回路,冷卻報警工作立即停止。對于各參數的設定通過采集按鍵電路進行,為了保證系統動作的實時性,系統采用中斷機制對按鍵信號進行處理,并進一步將設定過程及其參數的變化通過驅動LCD液晶進行同步顯示。

(2)電源電路:該電路主要由交流穩壓電路、濾波電路構成,其作用是向控制計算機機系統提供穩定的+5 V直流電源,保證系統所需的正常電源供應,這部分電路設計中采用專用電源模塊來實現所需供電要求。

(3)按鍵電路:該電路由四個獨立按鍵構成,分別對應控制開關組的選擇、變壓器量程上限/下限選擇、設定溫度值加1以及設定溫度值減1操作。

(4)LCD液晶顯示器:該單元用于設定的參數以及系統運行過程中溫度數值的實時顯示,與按鍵電路共同構成人機界面。

(5)時鐘和復位電路:如采用單片機作為本設計的核心控制計算機,則一般需要在單片機模塊外部設置一個獨立的時鐘電路,通過該電路輸出一個穩定的時鐘信號,使得計算機內部各個功能電路步調一致地協調工作,這是系統正常運行所必須具備的輔助電路,時鐘頻率的快慢決定了系統的運行速度。

復位電路的作用是保證單片機在因各種因素陷入非正常工作狀態時,通過復位機制可以讓系統從故障狀態中迅速解脫出來回復正常運行,這是確保系統可靠性的一個重要措施,在具體實施過程中一般可以同時采取人工強制復位和上電復位兩種方式相結合。

(6)電力變壓器溫度指示控制器:該單元即原生控制儀表(例如BWY-804J型儀表),在本設計中我們利用其輸出的標準4-20m A直流信號輸入單片機進行二次處理,以獲取變壓器當前的實時溫度數值,同時接入接點回路合閘與否的信息進行判斷。單片機外接繼電器的觸點并與變壓器冷卻報警控制回路相連接。單片機系統根據原生溫度表的接點設定值設定相應溫度值。

(7)電流變送器:該單元的作用是將電力變壓器溫度指示控制器輸出的標準4-20m A直流信號轉換成對應的0-5V直流電壓信號,以供單片機進行采集和模/數轉換處理,并進一步得到當前溫度對應的數字量。

(8)繼電器:繼電器單元的作用是通過接收單片機分析接點回路與傳輸回路是否到達設定溫度發出的相應信號,作出觸點是否導通的動作,其與冷卻報警回路連接,繼電器的數量應與原生儀表中的控制開關觸點數目一致。繼電器觸電的動作受到單片機的控制。

(9)冷卻報警控制回路:該部分電路即配套的電力變壓器冷卻報警控制回路,本方案不涉及對其改造,僅使繼電器的觸點與之進行電氣上的連接,并根據單片機的控制過程在變壓器溫度超過設定值的情況下通過繼電器觸點接通該冷卻報警回路工作。

3.2 硬件電路設計 按照上節系統框圖的設計要求,具體開展硬件電路設計,電路原理圖如下圖所示:

圖3 硬件電路原理圖

在硬件電路原理圖中,對于按鍵的處理采用中斷識別機制進行,四個獨立按鍵K1、K2、K3、K4均通過上拉電阻連接至+5 V電源,當按鍵未按下時,對應引腳為高電平,按下按鍵引腳強制對地短路變為低電平,由此在引腳上產生一個下降沿信號并觸發中斷,單片機在按鍵中斷子程序中對其進行識別和處理而不是通過循環掃描方式,因此大大提高了單片機的處理效率,保證了系統的實時性。在復位電路中本設計結合了單片機上電復位與人工強制復位方式,利用后者可以在單片機系統出現異常的情況下重新恢復正常執行。時鐘電路采用外接晶振設計,使系統在啟用內部定時器進行周期性溫度信號采集過程中具有穩定的時鐘基準。

繼電器組設置了四個獨立繼電器,分別對應溫度指示控制器儀表的原生四組控制開關觸點的控制。四個繼電器的觸點均連接至電力變壓器的冷卻報警控制回路。

3.3 系統軟件設計 整個軟件結構上由主程序和中斷服務子程序構成,主程序完成對單片機內部功能部件的初始化和溫度比較以及繼電器的驅動功能,設定按鍵為下降沿觸發中斷,定時器工作在16位初始值自動重載方式并結合定時中斷進行模/數轉換處理,避免了每次定時中斷后都需要重新設定初值的弊端。

根據控制原理,本設計通過單片機讀取電流變送器輸入的0-5V電壓信號,并通過內部ADC單元獲得對應的溫度數值信號,在主程序中通過循環方式不間斷對此當前溫度數值信號與設定值進行比較,一旦當前值達到或超過設定值,驅動對應組的繼電器線圈通電,其常開觸點閉合接通變壓器冷卻報警控制回路動作。反之,若當前溫度低于設定值,則斷開對應觸點,切斷控制回路。單片機通過按鍵中斷子程序對四個按鍵的動作進行處理,分別完成控制開關組別的選擇、變壓器量程上下限的選擇、設定值加1和設定值減1操作。

定時器子程序也采用中斷方式進行處理,主程序首先完成定時器的初始化,設定其具體工作方式,最后啟動定時器開始工作。定時器按固定周期啟動模/數轉換,將指定的模擬量輸入通道的0-5V直流電壓轉換成對應數字量,本設計中我們采用了8位量化方式進行處理,其電壓分辨率P為5V/256即0.0195V,以BWY-804J(TH)型儀表量程0-150攝氏度為例,其對應溫度分辨率為150度/256即0.58攝氏度,完全可以滿足控制要求。在進行模/數轉換處理過程中,為了保證采樣結果的可信度,我們采用了平均值濾波方式對多次采樣結果進行處理,有效避免意外干擾引發的數值波動。

對于繼電器的控制,考慮到其動作需要較大的驅動電流,單片機的所有引腳在上電復位完成后默認為準雙向端口模式,該模式下單片機引腳驅動能力有限,所以在程序中將四個繼電器的控制引腳專門設置為推挽輸出方式以保證繼電器的可靠動作。

當有按鍵按下時,系統進入按鍵中斷服務子程序,首先需要關中斷,以使在中斷處理過程中不會再受到其他中斷影響。中斷程序根據中斷標志位的結果判別是哪個按鍵按下,然后進行對應處理,并將結果寫入到單片機內部只讀存儲單元EEPROM保存,并進一步供主程序進行讀取和后續處理。在中斷返回之前需要重新開放中斷,以使下一次按鍵按下的動作能得到實時處理。

4 結語

本文提出了一種基于單片機的變壓器油面溫度測溫控制系統,在原電力變壓器溫度指示控制器基礎上進行了軟硬件改造,結合了數字計算機對油溫進行在線檢測,只有當計算機獲取的實測溫度超過設定值狀態且同時原生溫度計接點導通下才使對應觸點接通控制回路動作,根本上克服了原始儀表不能對因人為因素導致的系統誤觸發的缺陷。