电气智能化第5章Word下载.docx
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(3)确定模块的电路结构
常见中央控制模块电路结构有:
单处理器多芯片、单
处理器单芯片、单处理器双芯片和多处理器结构。
①单处理器多芯片结构
PT
A/D
电平
指示灯
键盘
保护投退
液晶
CT
转换
总线缓冲驱动器二
CPU
80c196KC
BUS
复
位
电
串
口
地址
锁存
和译
码器
ROM
掉
RAM
总线缓冲驱动器
开关量输入开关量输出
光隔光隔
路
级
联
信
号
置
脉
冲
计
数
继
器
闭
锁
②单处理器单芯片结构
③单处理器双芯片结构
④多处理器结构
RS232
TMS320LF2407
CAN
DSP最小系统
模拟量
输入
ADC
WD
通信接口
SPISCICAN
源
3.3V
开关量
输出
I
/
O
SARAM
DARAM
FLASH
&
DSP
Core
External
Interface
外围接口
晶振
双口RAM
(4Kx8)
RTC
Serial
EEPROM
24C16
MCU
(AT89C55WD)
液晶显示
(320x240)
(3x3)
人机交互
实时
时钟
SCI
RS422
PLL
5.2.2中央控制模块常用处理器件和外围电路芯片
对于不同功能、不同电路结构的中央控制模块,应
选用不同的处理器及其外围电路。
1.常用单片微机:
①常用8位单片机:
Intel8X51系列、ADμC8XX系列。
②常用16位单片机:
Intel公司的MCS8XC196系列。
2.数字信号处理器(DSP)
3.嵌入式MCU:
PIC系列MCU、MSP430系列MCU。
4.FPGA
5.可编程外围接口芯片:
PSD、CPLD。
5.3其他功能模块的结构组成
5.3.1开关量输出模块的结构组成
1.设计要求
开关量输出模块一般由操作控制信号驱动和执行两
部分组成,接在中央控制模块与一次开关元件的操作线
圈之间,使监控器输出的操作控制信号与一次开关元件
操作要求匹配。
通常在输出模块的设计中,应考虑以下几方面的问题:
(1)中央控制模块处理器件与输出模块间的电气隔离
(2)处理器件输出端口的驱动电流与输出模块LEC的发
光器LED(一次侧)电流兼容
(3)LEC受光器(二次侧)的工作电压、电流与执行元
件控制电压、电流匹配
(4)监控器开关操作信号输出端口与一次开关元件操作
电路间可靠的电气隔离
(5)输出模块执行元件的输出驱动能力与一次开关元件
操作线圈的功率匹配
2.常见的开关量输出模块的电路结构
(1)LEC直接驱动的控制继电器输出模块:
U1
U2
U3
G1
R
LEC
G2
G3
(2)增加控制继电器驱动元件的输出模块:
R1
R2
(3)执行元件为电力电子开关器件的输出模块:
R1
(4)直接驱动一次开关元件操作线圈的输出模块:
5.3.2通信模块的基本功能和设计原则
监控器的通信模块是实现智能电器网络功能的重要
环节。
工作现场的智能电器经监控器的通信模块与电器
智能化通信网络连接,后台管理系统中的计算机(俗称
上位机)通过通信网络与现场智能电器之间交换需要的
各类信息,以完成对工作现场各种智能电器的远方监控
和管理。
1.通信模块的主要功能
(1)使监控器能够识别上位机召唤时发送的地址信息,
以便正确地与上位机建立联系。
(2)保证监控器收发的数据电平与网络物理层要求的信
号电平一致。
2.常用接口标准及其收发驱动器
(1)RS—232—C接口
RS—232—C是数据终端设备与数据电路端接设备间
的接口标准,是一种用于异步传输的接口。
(2)RS-485接口
RS-485是一种多发送器的电路标准,最小型采用一
对信号电缆,可支持32个发送接收器对。
5.3.3人机交互模块的设计步骤
在智能电器监控器中,人机交互功能包括两个方面:
●
现场操作人员选择需要监视的设备工作状态、设置或修
改某些运行参数和功能;
监控器根据输入的指令输出并显示智能电器的相关运行
状态和数据。
1.人机交互模块的设计原则
(1)专用性
(2)小型廉价
(3)面板元件接口控制标准化
(4)面板必须便于操作和监视
2.人机交互模块的设计步骤
(1)操作与显示面板元件的选配
选配的依据就是智能电器对就地操作功能和显示内容
的要求,以及允许的监控器安装空间。
选配方案大致可以有3类:
①只选用PID开关和LED,配合适当面板画面的设计方案:
适合虞体积很小、操作和显示要求非常简单的智能电
器。
②综合使用操作键盘、7(8)段数字显示器或字符型LCD显
示器、运行与故障状态指示LED的配置方案:
适用于要求显示运行参数、故障状态指示,能数字式
设定保护参数的智能电器监控器。
③采用操作键盘、大屏幕点阵式图像型LCD配合故障指示
LED的配置:
适用于现代电力输配电自动化系统和综合自动化变电
站的间隔电流开关设备、数字式继电保护装置。
(2)常用面板操作元件及其接口电路选择
智能电器监控器最常见的面板操作元件有按钮、键盘、
PID开关或编码器。
①按钮:
常用的有接点自动复位和接点位置可锁定两种。
②PID开关:
PID开关与处理器接口方式有直接接口和通过
编码器接口两种。
③键盘:
a、直接采用按键选择操作功能并输入参数;
b、与显示器配合,用菜单方式操作。
(3)状态指示用的LED显示及接口方式
LED常用于智能电器某些运行状态的指示,如故障状态、
监控器工作状态、一次开关元件闭合与分断状态。
监控器的处理器件对LED的两种控制方式:
直接控制
编码控制
(4)面板常用显示器件及其接口
常用显示器件有LCD和LED数码显示两种。
①平板薄型低功耗液晶显示器
用于智能化监测与控制装置中的这种LCD配合CMOS电路
可以组成微功耗系统。
②7(8)段LED数码显示器
常用的LED数码显示器与处理器件的接口方法:
通用并行I/O接口
专用的LED显示器管理芯片接口
7段LED数字显示
LED(故障状态指示)
PID开关
5.3.4电源模块
1.电源模块的设计原则
(1)保证中央控制模块地线“全浮空”
(2)模拟通道与数字电路分开供电,若二者不能隔离,则
供电电源地线应单点连接
(3)开关量输入、输出模块与中央控制模块电源隔离
(4)通信模块中收发驱动电路要求独立供电
(5)一次开关元件的操作线圈必须独立供电,且能保证在
开关分断后重新关合
(6)一次开关元件开断后,能保证监控器正常运行
(7)电源“自具”
2.监控器常用电源模块电路的配置方式
智能电器监控器电源模块的电路配置取决于对监控器
中各功能模块工作电压的要求、电源模块的供电方式和电
源模块的成本。
常用供电方式有电压供电和电流供电两类。
电压供电:
中、高压时由一次开关进线端电压互感器供电。
低压时由一次开关进线端电网供电。
电流供电:
由一次开关元件出线端的电流互感器供电。
选用合适的变压器或AC/DC变换器,直接由进线
电网电压供电。
{
3.不同电源配置结构的比较
电压供电的电源模块由一次开关元件进线端馈电线路
供电,只要馈电线路不失去电压,即使一次开关元件开
断,也能保证正常供电。
由于电流互感器装设在一次开关元件出线端,一旦开
关元件开断,监控器将失去电压。
5.4监控器的时序设计
智能电器是一种数字化、微机化的监控和保护设备,
其监控器内包含了可编程数字处理器、存储器、各种不同
的外围设备接口电路和辅助集成电路,它们都要在处理器
件的管理下,按照严格的时序要求,协调一致地工作。
硬件设计时应充分考虑到快速的中央处理器和其他慢
速器件的时序协调问题。
时序协调的基本措施有以下几种:
(1)选用存取周期与处理器件兼容的外部存储器和接
口电路芯片;
(2)处理器采用插入等待周期的数据存取方式,协调与
外部扩招芯片的存取时序。
(3)利用接口电路的应答控制,通过程序查询或中断处
理来协调低速的外部设备与高速处理器间的时序。
5.5监控器的软件设计
智能电器的监控对象是其一次开关元件及被监控和
保护的电力设备及用电负载,主要完成对智能电器运行
现场的参量监测和被监控对象的保护与控制,有很高的
实时性、可靠性要求。
为此,监控器除了有精心设计的硬件电路,只要处
理器件采用MCU,就必须有高效、执行速度快、占用内
存少且便于管理的软件。
5.5.1监控器软件设计的基本要求
(1)满足一次开关元件操作的准确性和快速性
(2)有良好的透明度和开放性
(3)良好的人机交互能力和友好的用户界面
(4)软件产品的标准化、可移植
(5)满足电器智能化网络运行对其节点设备的要求
(6)保证监控器稳定、有序并可控的运行
5.5.2监控器软件常用的设计模式与适用场合
1.进程式设计模式及其应用
进程式设计基本上按照被控制
对象工作流程的顺序来进行程序设
计,是早期微机控制系统使用的程
开始
初始化
第1个处理
序设计方法。
这种方法设计的程序结构简单、
流程清晰、执行效率高,但是程序
第2个处理
结果正确?
YES
修改相关参数
NO
对硬件的依赖性强,完成不同功能
的程序相互耦合,没有清楚的层次
结构,局部环境出现故障,系统很
难自动进行控制与恢复。
第3个处理
有程序结束
指令?
结束
2.模块化的前后台操作设计模式及程序结构
这种设计方法将程序分为后台程序和前台程序。
后台程序:
控制程序的全部进程并处理实时性要求不高的应用
程序,整体结构表现为一个大循环,内含程序转移、查
询、子程序调用等。
前台程序:
包括所有实时性要求较高的程序模块,通常采用中
断请求方式处理。
后台程序实际上是主程序,而前台程序就是中断服
务程序。
3.嵌入式系统软件设计模式的应用及程序结构
嵌入式操作系统是一种实时多任务操作系统,特别
适合于数据处理量大,完成的功能数量多,操作复杂,
实时性有严格要求的微机控制系统。
采用嵌入式系统的
软件模式,其程序结构
应当层次化、模块化。
5.6RTOS概念及其在监控器软件中的实现
RTOS是在PC操作系统的进程管理和调度思想基础上
建立的实时多任务的管理调度系统,是嵌入式系统软件
的核心,负责统一安排所有与硬件和软件资源的管理、
调配与控制相关的程序模块的执行,以便提供软件的灵
活性、可扩充性和开放性。
5.6.1任务调度的概念和实时任务操作系统的分类
1.任务及任务调度的概念
任务:
指完成一项工作的程序及其使用的操作数据在处理器
中的工作过程。
在智能电器监控器中,实现一种指定功能
的程序模块就作为一个任务,由任务操作系统管理和调度。
任务调度:
根据任务的实时性、重要性合理安排执行的优先顺
序,并在任务执行的条件满足后,按优先顺序完成任务状
态的切换。
2.占先式任务调度和非占先式任务调度及其特点
(1)占先式任务调度
始终保持当前已经就绪的优先级最高的任务得到执行。
其任务状态有等待态、就绪态、执行态、阻塞态和中断态。
其特点为:
①实时性高,重要任务请求能得到及时响应
②任务切换频率高,需要高处理能力和处理速度的处理器
③需要为每个任务安排专用堆栈,占用的存储器容量大
④任务调度程序的设计非常困难
(2)μC/OS-Ⅱ概述
①μC/OS-Ⅱ的任务状态:
运行、就绪、挂起(等待事件发
生)、休眠和中断。
②μC/OS-Ⅱ的任务调度:
任务只有优先级之分,始终保证
高优先级的任务先得到响应
③任务状态切换时的现场保护与恢复:
为每个任务设置专
用堆栈。
④μC/OS-Ⅱ的移植:
使μC/OS-Ⅱ实时内核在某个微处理
器或微控制器中正常运行。
(3)非占先式RTOS任务调度程序的设计
在该方式下,除采用中断启动的任务,任何高优先级
任务就绪后,都必须等待已在执行的任务结束后才能进入
执行态。
①对重要任务的响应较慢
②任务切换次数少,调度程序设计相对简单
③不需要为每个任务设置专用堆栈,内存容量需求减少
④为保证重要任务请求尽快得到响应,任务必须进行合理
分解,使每个任务执行时间尽可能短。
任务的划分
按照任务执行的时间界限,监控器的任务可划分为3类:
第1类任务有严格的时间起点和终点,有执行周期和任
务周期。
第2类任务没有严格的起始点,但有严格的终止点。
第3类任务是除上两类任务以外,受任务调度管理的所
有其他任务。
每个任务都有运行态、就绪态和等待态:
运行态:
正在执行的任务处于运行态;
就绪态:
任务执行的条件已满足,但因其他优先级更
高的任务正在执行而不能立刻执行的状态;
等待态:
执行条件尚不满足的任务处于等待态。
等待态
任务状态转换示意图
就绪态
运行态
任务的调度
在智能电器监控器中,任务调度通常采用分层、分级
调度的策略。
所谓分层,是指以上3类任务按1、2、3类优先顺序
排列,而分级则是同类任务按其重要性来安排优先级。
根据各类任务的特点和实时性要求,在设计实时任务
调度程序时,一般分成内部任务调度和外部任务调度:
内部任务调度:
实时性或执行频率要求高的任务
外部任务调度:
应用型任务
任务的管理与协调
任务调度控制的基本单位——最小任务周期:
就是
采样任务周期T(=20/N(ms))。
每次采样任务周期定
时到,处理器件都通过中断来完成所有模拟量通道的采
样任务。
一般都把第1类任分配到各采样周期,每次执行一个
第1类任务,其余时间分配给外部任务。
其它通过中断触
发的内部任务则通过中断嵌套的方式,插入除采样任务
外的其它各任务的执行周期中执行。
任务调度方法和执行过程
采样任务执行频率最高,实时性要求也高,安排为
最高优先级任务。
采样任务结束后,设置下面需要执行的第1类任务
的标志,并触发任务调度程序。
进入任务调度后首先判
断是否有第一类任务。
若有,执行完该任务后,启动外
部任务程序模块;
否则,直接启动。
对保护操作、基准时钟、随机事件等无固定起始时
刻,且实时性要求很高的第2类任务,一般通过中断方
式来启动任务调度,用内部调度模块管理。
外部任务的调度最通用的办法是设置一个特殊的字
寄存器来记录外部任务的就绪情况和优先级。
记录外部就绪任务优先级的标志寄存器
5.6.2智能监控器软件的数据格式
当智能电器监控器软件采用嵌入式设计时,需要在
中央控制模块的RAM区设置公用数据区,以便存放各类实
时数据和历史数据。
1.实时数据的存放格式
实时数据包括各种被测的现场模拟参量采样值及
其处理结果,用于就地显示或向网络后台管理中心服务
器提供运行现场的各种实时数据。
现场电参量数据可设置以下4个缓冲区:
(1)计算用交流采样数据缓冲区
(2)短路保护用交流采样数据缓冲区
(3)保护数据缓冲区
(4)测量数据缓冲区
2.历史数据的存放格式
历史数据:
包括过去某段时间内短路故障的录波信
息,被监控对象发生过哪些故障,一次开关元件有多少
次分、合闸操作及操作原因,保护成功或失败记录等。
历史数据缓冲区包括:
(1)历史事件记录表
(2)故障录波记录数据缓冲区
5.7本章小结
为使初学者了解监控器的设计目标、基本的设计步
骤和设计方法,本章在分析监控器基本设计原理的基础
上,讨论了监控器的硬件结构及其模块的划分,各模块
的电路结构和常用器件的选择依据;
介绍了监控器软件
设计的常用模式及应用场合,着重说明了嵌入式软件设
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