单片机用于变压器油面温度测温控制

安顺供电局 贵州 安顺 561000

1 引言

电力变压器是发电厂和变电站的主要设备之一。变压器的作用是多方面的,不仅能升高电压把电能送到用电地区,还能把电压降低为各级使用电压,以满足用电的需要。总之,电网的升压与降压都必须由变压器来完成,它是输变电的枢纽。随着城镇化的加速发展,必然造成线路用电负荷激增,但是相应的电力基础设施的建设相对滞后,一个表现就是电力变压器没有按规模同步增加,这就形成了大部分电力变压器超负荷运行。在用电负荷明显过大的情况下,电力变压器会产生过负荷发热现象,虽然并不会立即导致变压器损坏,但是相对于同等容量正常负荷运行的其他变压器相比,发热异常的电力变压器使用寿命更低,突发损坏的风险明显增加,运行稳定性变差。另一方面,即使在没有过负荷的变压器上,变压器过热现象也依然存在,很多对供电要求较高的地方只能采用双电源供电,这样必然导致用电成本的大幅增加。

为了保障电力变压器的长期稳定运行,变压器温度指示控制器的引入起到了重要作用。常用的温度指示控制器是采用机电一体化的原理而设计的,例如BWY-804J(TH),如图1所示。

图1 电力变压器温度指示控制器

2 针对常规电力变压器温度指示控制器的改进

对于常规电力变压器温度指示控制器在运行过程中可能出现的误动作状况,本文提出了一种结合微型单片计算机(即单片机或MCU控制器)的解决方案。单片机本质上是一种数字集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(通常还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域应用及其广泛。单片机将数据运算与处理能力集成到芯片中,凭借着强大的数据处理技术和计算功能,实现功能强大的逻辑控制以及对数据的高速化处理。具体到本设计方案中,由于系统主要是对变压器油面温度进行检测以及控制仪表开关触点的吸合,主要传输的是传感器信号和控制信号,而非高速的数据通信信号,因此采用8位单片机即可满足设计要求,具体型号是国产IAP15W4 K系列单片机。该型单片机采用了增强型8051内核,大幅提高了传统8051单片机的运行速度,增设了众多功能单元电路,同时具备极好的程序加密型。还有一个重要特性就是具备在应用编程功能,即在不停机的状态下用户可写入新的控制指令,为实现系统在连续运行状态下进行在线升级提供了极大便利,这就使得该型单片机相对于其他类型单片机具备了更好的环境适应性,可以根据现场的实际状况灵活添加或更改控制功能。

具体到本方案,我们的改进措施体现在以下几方面:

(1)将仪表输出电流信号引入单片机进行二次处理。由于电力变压器温度指示控制器可将油温的变化输出为一个对应成比例4-20m A的工业标准直流电流信号,本方案首先将此电流信号通过一个电流变送器转换为对应成比例的0-5 V直流电压,之所以要进行这一步转换是因为单片机上的模/数转换单元ADC不能够直接以电流作为输入,但是可以接收直流电压作输入并转换成对应数字量供后续进一步处理。为了提高模/数转换的准确度,必须让输入直流电压量程尽可能与单片机ADC参考电压(+5V)接近,因此本方案采用了专用的电流/电压变送模块实现这一要求。

(2)设置人机界面(HMI)实现参数的现场设定。原电力变压器温度指示控制器内装有四组可调控制开关和对应的温度设定机械凸轮,通过机械凸轮可以让仪表本身设定各组控制开关的动作温度,当仪表测得温度超过此温度时,微动开关动作,触点接通控制回路。如前所述,由于在安装部署或者检修过程中常因为人为不小心触碰仪表内器件、接点受潮凝露、回路绝缘不够等会导致触点误动作,因此在本方案中,我们通过人机界面(由按键电路与LCD1602字符型液晶显示器构成)的引入,通过单片机采集按键动作状态,实现对仪表内各组控制开关的选择以及对应动作温度和仪表量程的设定。具体设置四个按键:K1(控制开关所属组选择,组的数量与仪表控制开关组数一致且对应);K2(仪表温度量程上下限选择);K3(设定值加1);K4(设定值减去1)。在实际操作过程中,以常用仪表BWY-804J(TH)为例,其内部有四组凸轮和相应数量控制开关,在按下K1按键过程中,单片机程序对其按下次数进行统计计数,其结果用变量count_k1表示,count_k1的变化范围从1-4周而复始(即按下第一次K1则count_K1为1,第二次为2,以此类推,超过第四次又重新回1),程序根据它的当前值就可以判定目前选择的是第几组控制开关;对按键K2也做类似处理,统计变量为count_K2,值的范围从1-2,count_K2为1时对应于仪表的量程下限选择,count_K2为2时对应于仪表的量程上限选择;对按键K3,按下一次,根据前面K1或者K2是哪一个按下,使得对应参数(选中的开关组的动作温度或者选中的量程的上下限)减1摄氏度;对按键K4,则类似K3按键处理,对应值加1摄氏度。通过这种按键次数软件计数判别的方法,可以大大节约按键的使用数量,简化了硬件设计。

(3)增设继电器单元向控制回路提供触发信号。本方案在硬件电路上增设继电器单元,继电器的数量与仪表的实际启用的控制开关组数相同。其目的是在不破坏仪表原始构造,新增设的继电器触点是在收到来自单片机的合闸信号后导通,单片机读取仪表的输出信号及导通信号,当接点导通时读取仪表输出信号,确定仪表输出信号大于设定值再输出合闸信号。而人为误动或者仪表接点受潮短接后,单片机读取的仪表输出未到设定值,单片机输出分闸信号,触点不动作。新增设的继电器触点的动作只受单片机的控制,而与仪表的微动开关无关。在具体电气连接过程中,断开仪表的原生开关触点与冷却报警控制回路的-110 V端钮,而将新增继电器的对应触点接入控制回路。这样即使存在安装检修状态下人为原因误触碰到仪表内部,只要此刻单片机不输出触发信号,继电器的触点就不存在误接通控制回路的状况发生,从而彻底解决传统仪表所面临的上述问题。

3 系统设计

将上述设计思路变成现实,本设计需要解决两方面的问题:第一是硬件电路的设计,其关键是主控系统电路功能划分,器件选型,信号接口设计等;第二是软件系统设计,这部分需要与硬件电路相配合,通过软件运行控制方式充分发挥系统的灵活性和适应性。

3.1 系统设计方案 根据设计要求,系统结构框图如图2所示:

图2 系统结构框图

整个系统由多个单元相互连接构成,各单元功能如下:

(1)单片微型计算机(MCU单元):该单元是整个系统的核心,承担着直流电压信号采集、接点导通电信号变化采集、按键电路检测处理、LCD液晶显示器显示驱动,继电器触点控制等一系列功能。该单元启用定时控制方式周期性地采集从电流变送器传输进来的电压信号,经过内部ADC单元的转换,得到对应温度的数字量,并进一步与各组设定动作温度进行比较,一旦发现当前采集到的温度达到或超过四组当中某一组的设定值时,则驱动对应继电器线圈通电,其触点随即接通电力变压器冷却报警控制回路工作。反之,当前温度值低于该组设定值时,对应继电器失电,触点断开控制回路,冷却报警工作立即停止。对于各参数的设定通过采集按键电路进行,为了保证系统动作的实时性,系统采用中断机制对按键信号进行处理,并进一步将设定过程及其参数的变化通过驱动LCD液晶进行同步显示。

(2)电源电路:该电路主要由交流稳压电路、滤波电路构成,其作用是向控制计算机机系统提供稳定的+5 V直流电源,保证系统所需的正常电源供应,这部分电路设计中采用专用电源模块来实现所需供电要求。

(3)按键电路:该电路由四个独立按键构成,分别对应控制开关组的选择、变压器量程上限/下限选择、设定温度值加1以及设定温度值减1操作。

(4)LCD液晶显示器:该单元用于设定的参数以及系统运行过程中温度数值的实时显示,与按键电路共同构成人机界面。

(5)时钟和复位电路:如采用单片机作为本设计的核心控制计算机,则一般需要在单片机模块外部设置一个独立的时钟电路,通过该电路输出一个稳定的时钟信号,使得计算机内部各个功能电路步调一致地协调工作,这是系统正常运行所必须具备的辅助电路,时钟频率的快慢决定了系统的运行速度。

复位电路的作用是保证单片机在因各种因素陷入非正常工作状态时,通过复位机制可以让系统从故障状态中迅速解脱出来回复正常运行,这是确保系统可靠性的一个重要措施,在具体实施过程中一般可以同时采取人工强制复位和上电复位两种方式相结合。

(6)电力变压器温度指示控制器:该单元即原生控制仪表(例如BWY-804J型仪表),在本设计中我们利用其输出的标准4-20m A直流信号输入单片机进行二次处理,以获取变压器当前的实时温度数值,同时接入接点回路合闸与否的信息进行判断。单片机外接继电器的触点并与变压器冷却报警控制回路相连接。单片机系统根据原生温度表的接点设定值设定相应温度值。

(7)电流变送器:该单元的作用是将电力变压器温度指示控制器输出的标准4-20m A直流信号转换成对应的0-5V直流电压信号,以供单片机进行采集和模/数转换处理,并进一步得到当前温度对应的数字量。

(8)继电器:继电器单元的作用是通过接收单片机分析接点回路与传输回路是否到达设定温度发出的相应信号,作出触点是否导通的动作,其与冷却报警回路连接,继电器的数量应与原生仪表中的控制开关触点数目一致。继电器触电的动作受到单片机的控制。

(9)冷却报警控制回路:该部分电路即配套的电力变压器冷却报警控制回路,本方案不涉及对其改造,仅使继电器的触点与之进行电气上的连接,并根据单片机的控制过程在变压器温度超过设定值的情况下通过继电器触点接通该冷却报警回路工作。

3.2 硬件电路设计 按照上节系统框图的设计要求,具体开展硬件电路设计,电路原理图如下图所示:

图3 硬件电路原理图

在硬件电路原理图中,对于按键的处理采用中断识别机制进行,四个独立按键K1、K2、K3、K4均通过上拉电阻连接至+5 V电源,当按键未按下时,对应引脚为高电平,按下按键引脚强制对地短路变为低电平,由此在引脚上产生一个下降沿信号并触发中断,单片机在按键中断子程序中对其进行识别和处理而不是通过循环扫描方式,因此大大提高了单片机的处理效率,保证了系统的实时性。在复位电路中本设计结合了单片机上电复位与人工强制复位方式,利用后者可以在单片机系统出现异常的情况下重新恢复正常执行。时钟电路采用外接晶振设计,使系统在启用内部定时器进行周期性温度信号采集过程中具有稳定的时钟基准。

继电器组设置了四个独立继电器,分别对应温度指示控制器仪表的原生四组控制开关触点的控制。四个继电器的触点均连接至电力变压器的冷却报警控制回路。

3.3 系统软件设计 整个软件结构上由主程序和中断服务子程序构成,主程序完成对单片机内部功能部件的初始化和温度比较以及继电器的驱动功能,设定按键为下降沿触发中断,定时器工作在16位初始值自动重载方式并结合定时中断进行模/数转换处理,避免了每次定时中断后都需要重新设定初值的弊端。

根据控制原理,本设计通过单片机读取电流变送器输入的0-5V电压信号,并通过内部ADC单元获得对应的温度数值信号,在主程序中通过循环方式不间断对此当前温度数值信号与设定值进行比较,一旦当前值达到或超过设定值,驱动对应组的继电器线圈通电,其常开触点闭合接通变压器冷却报警控制回路动作。反之,若当前温度低于设定值,则断开对应触点,切断控制回路。单片机通过按键中断子程序对四个按键的动作进行处理,分别完成控制开关组别的选择、变压器量程上下限的选择、设定值加1和设定值减1操作。

定时器子程序也采用中断方式进行处理,主程序首先完成定时器的初始化,设定其具体工作方式,最后启动定时器开始工作。定时器按固定周期启动模/数转换,将指定的模拟量输入通道的0-5V直流电压转换成对应数字量,本设计中我们采用了8位量化方式进行处理,其电压分辨率P为5V/256即0.0195V,以BWY-804J(TH)型仪表量程0-150摄氏度为例,其对应温度分辨率为150度/256即0.58摄氏度,完全可以满足控制要求。在进行模/数转换处理过程中,为了保证采样结果的可信度,我们采用了平均值滤波方式对多次采样结果进行处理,有效避免意外干扰引发的数值波动。

对于继电器的控制,考虑到其动作需要较大的驱动电流,单片机的所有引脚在上电复位完成后默认为准双向端口模式,该模式下单片机引脚驱动能力有限,所以在程序中将四个继电器的控制引脚专门设置为推挽输出方式以保证继电器的可靠动作。

当有按键按下时,系统进入按键中断服务子程序,首先需要关中断,以使在中断处理过程中不会再受到其他中断影响。中断程序根据中断标志位的结果判别是哪个按键按下,然后进行对应处理,并将结果写入到单片机内部只读存储单元EEPROM保存,并进一步供主程序进行读取和后续处理。在中断返回之前需要重新开放中断,以使下一次按键按下的动作能得到实时处理。

4 结语

本文提出了一种基于单片机的变压器油面温度测温控制系统,在原电力变压器温度指示控制器基础上进行了软硬件改造,结合了数字计算机对油温进行在线检测,只有当计算机获取的实测温度超过设定值状态且同时原生温度计接点导通下才使对应触点接通控制回路动作,根本上克服了原始仪表不能对因人为因素导致的系统误触发的缺陷。