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1 引言
工廠低壓配電系統(tǒng)中，存在著大量的電機(jī)電氣回路，其中很大一部分負(fù)責(zé)機(jī)械動(dòng)力的供給，如機(jī)械切割和煤炭等物體的傳送等。另外一些重要回路除了負(fù)責(zé)傳動(dòng)外，還擔(dān)負(fù)著計(jì)量的功能，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控以防止故障的發(fā)生，而導(dǎo)致工廠的停產(chǎn)。如醫(yī)藥生產(chǎn)系統(tǒng)中計(jì)量泵的運(yùn)行負(fù)責(zé)著藥品的比例配比，石化行業(yè)聚合反應(yīng)中各化工成份合成配比的控制等。如果采用多功能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)行保護(hù)功能，功能浪費(fèi)嚴(yán)重，成本高，用戶(hù)很難接受。本文介紹一種PZ96-P/J功率監(jiān)控器（見(jiàn)圖1），利用其I/O（開(kāi)關(guān)量輸入/輸出）模塊、與接觸器配合實(shí)現(xiàn)磁力泵的保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)量系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
2產(chǎn)品設(shè)計(jì)
圖1 PZ96-P/J功率監(jiān)控器
2.1 CS5463芯片介紹
CS5463是一個(gè)包含兩個(gè)Δ∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、高速電能計(jì)量功能和一個(gè)SPI串行接口的高度集成的Δ∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，見(jiàn)圖2。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS用于研制開(kāi)發(fā)單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器測(cè)量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測(cè)量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。
圖2 CS5463芯片
2.2 監(jiān)控器的硬件電路設(shè)計(jì)
圖3 基于MSP430和CS5463的硬件測(cè)量框圖
a) 數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)
將需要顯示的數(shù)字通過(guò)查表譯碼輸出給74HC595，通過(guò)595的鎖存功能將字形鎖存，而P5.0～P5.3則構(gòu)成選通信號(hào)。
用MSP430內(nèi)部的TA定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1mS的定時(shí)中斷，在中斷程序中刷新數(shù)碼管的顯示，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。
b) 鍵盤(pán)控制和LED顯示電路設(shè)計(jì)
由MSP430的P1口的P1.0～P1.3構(gòu)成鍵盤(pán)控制電路，其原理如圖3所示。由于本系統(tǒng)要求有8種狀態(tài)顯示，故需要使用8個(gè)發(fā)光LED來(lái)表示當(dāng)前程序運(yùn)行的不同狀態(tài)，而MSP430微控制器具有豐富的I/O口資源，因此不需要再額外增加譯碼芯片和軟件開(kāi)銷(xiāo)。
c) 執(zhí)行電路
通過(guò)開(kāi)關(guān)量的輸入來(lái)判斷外部接觸器的狀態(tài)和當(dāng)故障出現(xiàn)后，由開(kāi)關(guān)量輸出模塊來(lái)執(zhí)行接觸器的脫扣，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的停車(chē)。
2.3 軟件程序設(shè)計(jì)
1) 根據(jù)校驗(yàn)儀輸入的電流、電壓有效值計(jì)算出二次側(cè)滿功率：
折算到一次側(cè)的功率時(shí)，應(yīng)乘以CT變比值。
2) 根據(jù)CS5463測(cè)量到的無(wú)功功率和校驗(yàn)得到的無(wú)功滿功率，計(jì)算得到實(shí)際有功功率。
在開(kāi)始采集前，初始化程序需將用戶(hù)設(shè)置參數(shù)從內(nèi)部MSP430的FLASH中讀取到內(nèi)存中，從而可以實(shí)現(xiàn)快速處理。其處理程序如下(見(jiàn)圖4)：
圖4 處理軟件流程
3 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)
PZ96-P/J磁力泵防干轉(zhuǎn)功率監(jiān)控器產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1
4 工作原理
PZ96-P/J功率監(jiān)控器是以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字負(fù)荷監(jiān)控裝置，兼有測(cè)量和保護(hù)的功能。它測(cè)量并顯示泵用電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率千瓦數(shù)（kW）或功率百分比(%)，并且可以動(dòng)態(tài)修改CT變比以滿足不同電動(dòng)機(jī)的要求。監(jiān)控器可用于任何負(fù)載狀態(tài)下斷開(kāi)電機(jī)。因此使泵避免低載或過(guò)載狀態(tài)運(yùn)行。
圖5為交流電機(jī)在接通電源后即刻顯示的一個(gè)典型功率曲線，可設(shè)定的啟動(dòng)定時(shí)器（Ts）用來(lái)從保護(hù)周期中濾出啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的大峰值功率消耗值。Ts的延時(shí)功能在功率消耗達(dá)5%以后開(kāi)始啟動(dòng)。當(dāng)Ts終止時(shí)，則時(shí)限Tr1、Tr2才會(huì)動(dòng)作。Tr用于避免發(fā)出報(bào)警，除非功率消耗要比在一段持續(xù)時(shí)間內(nèi)的極限值高或低，以避免保護(hù)器的誤動(dòng)作和頻繁動(dòng)作而影響生產(chǎn)。
圖5 監(jiān)控器功能曲線圖
5 典型應(yīng)用
在連接監(jiān)控器之前，應(yīng)檢查電動(dòng)機(jī)的滿載電流。電機(jī)電流低于5安培時(shí)，則不需要電流互感器。如果滿載電流略大于5安培，而電機(jī)準(zhǔn)備在遠(yuǎn)低于滿載時(shí)運(yùn)行，則也不需要電流互感器。當(dāng)電機(jī)電流大于5安培時(shí)，則必須使用電流互感器。其典型應(yīng)用見(jiàn)圖6。
圖6帶電流互感器的接線圖
6 功率上下限的設(shè)定
使泵在正常流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察監(jiān)控器顯示器上的功率百分比(%)。調(diào)節(jié)泵的出口閥門(mén)，使流量在0至最大值之間變化。注意監(jiān)控器顯示器上反映這些情況的功率百分比(%)，然后將流量調(diào)至正常值。將測(cè)定結(jié)果作圖，如圖7所示，確保能從圖中推導(dǎo)出監(jiān)控器設(shè)定的上、下限(%)。上限設(shè)定值應(yīng)在泵的正常流量和最大流量之間。下限設(shè)定值應(yīng)在泵的正常流量和所推薦的最小安全流量之間。推薦的泵的最小安全流量可以從泵的性能數(shù)據(jù)表中獲得。
監(jiān)控器(%)
圖7 監(jiān)控器上、下限設(shè)置
說(shuō)明：
% nor = 正常流量下監(jiān)控器顯示的功率百分比（% ）
Q nor = 泵的正常流量
Q msf = 泵的最小安全流量
Q max = 泵的最大流量
- 監(jiān)控器上、下限設(shè)置中允許的流量范圍
7 結(jié)束語(yǔ)
將功率監(jiān)控器應(yīng)用于控制系統(tǒng)，從而極大的提高了磁力泵使用的安全性。實(shí)踐證明，該方案具有方法簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，易于使用，極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 魏小龍 MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，2002
[2] 磁力泵防干轉(zhuǎn)功率監(jiān)控器原理、調(diào)試及使用手冊(cè) 漢勝工業(yè)設(shè)備（上海）有限公司 2007
[3] CIRRUS LOGIC CS5463 datasheet
[4] 電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南 中國(guó)電力出版社
作者介紹：
陸偉青（1979.4- ），男，上海大學(xué)，機(jī)械制造及自動(dòng)化，主要研究方向?yàn)橹悄芑刂啤?BR>
周中（1968.1- ），男，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院，電子應(yīng)用系，學(xué)士，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娂跋到y(tǒng)
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