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【摘要】随着网络化、数字化、智能化技术的快速发展，传统的低压设备控制系统对建设智能化水泥生产线存在一定的制约问题；本文设计的基于ATmega芯片的马达保护器，性能稳定、价格低廉，有效的解决了继电器-接触器控制系統缺点，对构建智能工厂，具有一定的实用性。
【关键词】智能化水泥生产线；马达保护器
1、前言
传统的低压设备控制，是由继电接触器控制系统来实现的；该系统由接触器、继电器、主令电器和保护电气等元件组成，按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。继电器控制线路成本低廉，控制方式直观、操作简单、维护调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，被广泛用于工矿企业生产控制系统。
现有水泥工厂低压设备电气控制系统绝大部分采用继电器-接触器控制系统，采用中控和就地控制方式，中控室仅对低压电气设备的启停进行控制，电气设备运行信息、故障信息无法监控，45kW及以上电机设置有电流显示功能。该电气设备控制系统模式为水泥工厂的快速发展发挥了很大的作用，然而随着国民经济的快速发展，网络化、数字化、智能化技术的广泛应用，工业化和信息化的深度融合，积极探索建设智能化水泥生产线具有一定的时代意义；作为水泥工厂底层操作单元的电气控制系统，在构建智能工厂中起到了举足轻重的作用，继电器-接触器控制系统因控制速度慢，改变控制功能必须通过改变接线来完成，实现数据通信比较麻烦和困难，无法满足智能工厂信息化要求。现有一些马达保护器价格较高，操作复杂，人机界面不直观，制约了其在传统行业中的应用。
本文基于ATmega系列高性能微处理器，设计了一款智能化多功能马达保护器，可实现供电系统的各种保护功能，且性能稳定、价格低廉，能满足智能工厂信息化要求，具有一定的实用性及经济意义。
2、智能马达保护器功能概述
马达保护器作为水泥工厂底层操作单元的核心部件，应具有以下功能：
（1）能完成电气设备漏电闭锁、欠压、过压、电流三相不平衡、过载、短路等多种保护功能；
（2）各项保护功能参数均可以通过菜单选择调整，适应范围广；
（3）操作直观简便的配合菜单式友好人机交互界面；运行时实时显示当前三相电流和系统电压及系统时间；
（4）每次调整的各项保护功能参数、故障信息均能记忆保存；
（5）具有数据通信接口与监控系统连接。
3、硬件系统设计
3.1微处理器选择
作为保护装置的核心部件，处理器的选择至关重要，处理器的性能及功能直接影响到产品的质量及价格。本款产品立足于水泥工厂电气设备控制，控制算法、控制逻辑不复杂，产品功能无特殊要求，满足基本保护功能外，应具备通讯及保护记忆功能，因此一款高性能、多功能、价格低廉的微处理器选择是本产品设计应用成败的关键。
纵观电机控制领域中的微处理器由单片机类型、DSP类型等。传统单片机虽价格便宜但功能太简单，内部存储空间有限，运算速度慢，一般用于简单的智能仪表设计；DSP以其高速计算能力和特殊的硬件结构在电机控制领域中正逐步取代单片机，成为控制系统的核心，价格较高、控制算法复杂，适用于复杂控制领域，尤其在矢量控制方面有其独特的优势。
结合以上说明，传统单片机和DSP芯片都不太适合本款产品需求，本设计选用高性能、低功耗、价格低廉的AVR系列微处理器（ATmega128），该芯片有以下功能特点：
先进RISC结构：133条指令大多数可以在一个时钟周期内完成，32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器，只需两个时钟周期的硬件乘法器。
非易失性的程序和数据存储器：128K字节的系统内可编程Flash、寿命10000次写/擦除周期，4K字节的内部SRAM，多达64K字节的优化外部存储器空间。
JTAG接口：支持扩展的片内调试。
外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，8路10位ADC通道，具有两个通用同步和异步串行接收器和转发器。
选用此芯片，运算速度比传统单片机快30多倍，带有可编程Flash和ADC通道；芯片价格是DSP价格的一半，比传统单片机价格贵2倍，但是考虑芯片最小系统的完整性，价格是传统单片机最小系统的80%。
综上所述，ATmega系列产品从性能、功能及价格方面都是本款水泥工厂用马达保护器的最佳选择。
3.2信号处理回路
电压检测电路由隔离变压器提供线电压（额定电压为10V），即变比为380/10；经电阻分压、运算器隔离后进入芯片ADC通道。
电流检测回路由电流互感器，直接穿在三相母线上，便可获得与一次侧电流成正比的电流信号，经滤波放大处理后进入芯片ADC通道。
3.3开关量信号回路
开关量输入信号经光电隔离后直接进芯片输入信号管脚，输出信号原理一样。
3.4通讯接口电路
通讯接口电路是实现与监控系统上位机完成包括远方分闸、远方合闸、修改参数、查询开关状态、查询模拟量、查询软件版本号、复位等操作的关键载体。
液晶显示回路、键盘操作回路、系统时间回路、电源处理回路略。
4、软件设计概述
本文设计的马达保护器的控制软件主要由三部分组成：初始化模块、系统功能模块和中断服务程序。系统在每次复位后，首先执行初始化模块，然后开启中断，系统开始循环执行功能程序模块，同时，当外部中断条件（包括故障保护中断和键盘中断）满足时，执行相应的中断服务程序。
结论：
本文所设计马达保护器，充分考虑现有水泥工厂运行情况及操作人员习惯，功能丰富，操作简单易懂，配置有友好的人机界面及数据通讯接口，可实时监控电气设备运行参数，且性能稳定、价格低廉，满足了构建智能工厂对底层操作单元的要求，具有一定的实用性及经济意义。
参考文献：
[1]余发山主编.单片机原理及应用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[2]余发山，张伟，刘艳昌.基于DSP的瓦楞纸板横切机控制系统设计[J].微计算机信息，2008年28期.
【关键词】智能化水泥生产线；马达保护器
1、前言
传统的低压设备控制，是由继电接触器控制系统来实现的；该系统由接触器、继电器、主令电器和保护电气等元件组成，按照一定的控制逻辑接线组成的控制系统。继电器控制线路成本低廉，控制方式直观、操作简单、维护调整方便，现场人员容易掌握使用等优点，被广泛用于工矿企业生产控制系统。
现有水泥工厂低压设备电气控制系统绝大部分采用继电器-接触器控制系统，采用中控和就地控制方式，中控室仅对低压电气设备的启停进行控制，电气设备运行信息、故障信息无法监控，45kW及以上电机设置有电流显示功能。该电气设备控制系统模式为水泥工厂的快速发展发挥了很大的作用，然而随着国民经济的快速发展，网络化、数字化、智能化技术的广泛应用，工业化和信息化的深度融合，积极探索建设智能化水泥生产线具有一定的时代意义；作为水泥工厂底层操作单元的电气控制系统，在构建智能工厂中起到了举足轻重的作用，继电器-接触器控制系统因控制速度慢，改变控制功能必须通过改变接线来完成，实现数据通信比较麻烦和困难，无法满足智能工厂信息化要求。现有一些马达保护器价格较高，操作复杂，人机界面不直观，制约了其在传统行业中的应用。
本文基于ATmega系列高性能微处理器，设计了一款智能化多功能马达保护器，可实现供电系统的各种保护功能，且性能稳定、价格低廉，能满足智能工厂信息化要求，具有一定的实用性及经济意义。
2、智能马达保护器功能概述
马达保护器作为水泥工厂底层操作单元的核心部件，应具有以下功能：
（1）能完成电气设备漏电闭锁、欠压、过压、电流三相不平衡、过载、短路等多种保护功能；
（2）各项保护功能参数均可以通过菜单选择调整，适应范围广；
（3）操作直观简便的配合菜单式友好人机交互界面；运行时实时显示当前三相电流和系统电压及系统时间；
（4）每次调整的各项保护功能参数、故障信息均能记忆保存；
（5）具有数据通信接口与监控系统连接。
3、硬件系统设计
3.1微处理器选择
作为保护装置的核心部件，处理器的选择至关重要，处理器的性能及功能直接影响到产品的质量及价格。本款产品立足于水泥工厂电气设备控制，控制算法、控制逻辑不复杂，产品功能无特殊要求，满足基本保护功能外，应具备通讯及保护记忆功能，因此一款高性能、多功能、价格低廉的微处理器选择是本产品设计应用成败的关键。
纵观电机控制领域中的微处理器由单片机类型、DSP类型等。传统单片机虽价格便宜但功能太简单，内部存储空间有限，运算速度慢，一般用于简单的智能仪表设计；DSP以其高速计算能力和特殊的硬件结构在电机控制领域中正逐步取代单片机，成为控制系统的核心，价格较高、控制算法复杂，适用于复杂控制领域，尤其在矢量控制方面有其独特的优势。
结合以上说明，传统单片机和DSP芯片都不太适合本款产品需求，本设计选用高性能、低功耗、价格低廉的AVR系列微处理器（ATmega128），该芯片有以下功能特点：
先进RISC结构：133条指令大多数可以在一个时钟周期内完成，32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器，只需两个时钟周期的硬件乘法器。
非易失性的程序和数据存储器：128K字节的系统内可编程Flash、寿命10000次写/擦除周期，4K字节的内部SRAM，多达64K字节的优化外部存储器空间。
JTAG接口：支持扩展的片内调试。
外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，8路10位ADC通道，具有两个通用同步和异步串行接收器和转发器。
选用此芯片，运算速度比传统单片机快30多倍，带有可编程Flash和ADC通道；芯片价格是DSP价格的一半，比传统单片机价格贵2倍，但是考虑芯片最小系统的完整性，价格是传统单片机最小系统的80%。
综上所述，ATmega系列产品从性能、功能及价格方面都是本款水泥工厂用马达保护器的最佳选择。
3.2信号处理回路
电压检测电路由隔离变压器提供线电压（额定电压为10V），即变比为380/10；经电阻分压、运算器隔离后进入芯片ADC通道。
电流检测回路由电流互感器，直接穿在三相母线上，便可获得与一次侧电流成正比的电流信号，经滤波放大处理后进入芯片ADC通道。
3.3开关量信号回路
开关量输入信号经光电隔离后直接进芯片输入信号管脚，输出信号原理一样。
3.4通讯接口电路
通讯接口电路是实现与监控系统上位机完成包括远方分闸、远方合闸、修改参数、查询开关状态、查询模拟量、查询软件版本号、复位等操作的关键载体。
液晶显示回路、键盘操作回路、系统时间回路、电源处理回路略。
4、软件设计概述
本文设计的马达保护器的控制软件主要由三部分组成：初始化模块、系统功能模块和中断服务程序。系统在每次复位后，首先执行初始化模块，然后开启中断，系统开始循环执行功能程序模块，同时，当外部中断条件（包括故障保护中断和键盘中断）满足时，执行相应的中断服务程序。
结论：
本文所设计马达保护器，充分考虑现有水泥工厂运行情况及操作人员习惯，功能丰富，操作简单易懂，配置有友好的人机界面及数据通讯接口，可实时监控电气设备运行参数，且性能稳定、价格低廉，满足了构建智能工厂对底层操作单元的要求，具有一定的实用性及经济意义。
参考文献：
[1]余发山主编.单片机原理及应用技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[2]余发山，张伟，刘艳昌.基于DSP的瓦楞纸板横切机控制系统设计[J].微计算机信息，2008年28期.