基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實時保護(hù)裝置設(shè)計

1 引言
    水路運(yùn)輸，特別是內(nèi)河中小型船舶運(yùn)輸在全國交通網(wǎng)中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，離不開船舶發(fā)電機(jī)連續(xù)可靠供電的保證。船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的主要內(nèi)容有：短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、逆功率保護(hù)。由于逆功率現(xiàn)象只在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時形成，所以前3種保護(hù)組成了船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的最小需求。短路故障發(fā)生時，需要在事件發(fā)生瞬間進(jìn)行保護(hù)；而針對過載和欠壓現(xiàn)象，則需要進(jìn)行一定延時確定事件確實發(fā)生，才進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的保護(hù)動作。因此，如何針對船用發(fā)電機(jī)設(shè)計可實時監(jiān)測并進(jìn)行精準(zhǔn)延時的保護(hù)裝置，就成了解決問題的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    所研究的保護(hù)裝置要求能實時監(jiān)測三相三線制船用發(fā)電機(jī)，用戶透過液晶屏幕設(shè)置各項保護(hù)參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)要求在掉電后不丟失。裝置可設(shè)置各種保護(hù)的報警、動作情況，并記錄事件，記錄的日志同樣要求掉電不丟失。為了配合上位機(jī)的集中管理，裝置附帶RS485接口與上位PC機(jī)通訊，使得上位微機(jī)可以實時監(jiān)測發(fā)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行情況。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    傳感器采用了線性度和頻率響應(yīng)均較好的霍爾電壓傳感器(PT)和霍爾電流傳感器(CT)。因發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的實時性要求較高，而測量精度相對要求較低，裝置放棄了對信號測頻采樣的測量，轉(zhuǎn)而采用由均方根值轉(zhuǎn)直流(RMS2DC)器件直接計算電壓電流有效值的方式。電壓信號(額定380 V)和電流信號(額定5 A)經(jīng)過該器件以及后級的濾波、調(diào)理、限幅，送入MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器中。裝置使用I2C總線與實時時鐘器件(RTC)通信?？蓪?dāng)前時間直觀地顯示在監(jiān)控頁面，在事件發(fā)生時亦可將事件的時間記錄在日志中。報警和動作輸出繼電器的帶負(fù)載能力為10 A。保證輸出的觸點信號可使斷路器分?jǐn)?。LED指示燈根據(jù)危險的情況分為過載預(yù)報警、過載長延時、過載短延時和欠壓4種．危險發(fā)生時LED燈閃爍指示，啟動保護(hù)后長亮指示。

3 事件檢出與處理
    參考船舶配電規(guī)范為裝置制定了如表1所示的保護(hù)方案憫。表1中，IP為發(fā)電機(jī)額定電流，Up為發(fā)電機(jī)額定電壓，當(dāng)前電壓U與當(dāng)前電流，觸發(fā)危險的門限值由用戶設(shè)定。約定電壓電流達(dá)到門限稱為觸發(fā)危險，危險延時后進(jìn)行動作稱為觸發(fā)事件。由于裝置需同時監(jiān)測多路信號的電平變化。并對各種危險狀態(tài)做出不同的延時響應(yīng)，所觸發(fā)事件的組合情況就會變得異常復(fù)雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對每路信號進(jìn)行“橫向”和“縱向”的對比。
    橫向?qū)Ρ仁侵该看窝h(huán)掃描需同時檢查電壓電流的6個通道。為此，在事件檢出處理子程序的設(shè)計中，需對本次檢查的6個通道的危險情況進(jìn)行匯總，以確定危險是否存在，如何閃爍指示燈，如何設(shè)置當(dāng)前的計時類型，確定在0.1 s計時中斷中哪些計時變量需要做自加，從而保證事件不漏檢?？v向?qū)Ρ?，指每個通道需要對比上次檢出和本次檢出的危險情況。為此，在檢查每個通道時，需要對比本次危險較之上次危險是否發(fā)生改變，如果是由高門限的危險轉(zhuǎn)向低門限的危險，則需要清零高門限危險對應(yīng)的計時變量，以確保延時準(zhǔn)確，從而保證事件不誤檢。事件檢出與處理流程如圖2所示。

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    盡管是在每次循環(huán)最后才對當(dāng)前的危險狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處理，但在單片機(jī)處理速度足夠快的情況下(裝置外接16MHz有源晶振性能可達(dá)16 MI／s)，這種時間誤差是可以忽略不計。同時，由于裝置為自己編寫實時控制應(yīng)用，并沒有移植任何操作系統(tǒng)，代碼的執(zhí)行效率也很高，實測裝置可以達(dá)到標(biāo)稱的0.2 s延時響應(yīng)精度。

4 樹形菜單
    結(jié)合表1的設(shè)定內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，除短路保護(hù)外的其余4種保護(hù)類型，都需要設(shè)定延時時間和保護(hù)門限，另外還需要設(shè)置每種保護(hù)類型對應(yīng)的報警輸出和動作輸出繼電器是否動作，以及每種保護(hù)是否進(jìn)行日志記錄，這樣至少需要4×5=20個頁面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。裝置其它輔助功能也需要額外的設(shè)定或查詢頁面，要求設(shè)計組織好這些頁面表現(xiàn)，以提升用戶體驗的友好性。設(shè)計采用了樹形菜單組織這些頁面，如圖3所示。

    裝置采用了帶中文字庫128×64點陣的液晶顯示模塊，最多可以顯示4行，每行8個中文字符。針對這一特點設(shè)計了如下的選單和菜單結(jié)構(gòu)體。

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    以上的結(jié)構(gòu)體中，定義每個菜單最多有6個選項(0位置為菜單的標(biāo)題)，根據(jù)每個菜單的選項的實際個數(shù)設(shè)置菜單尾項。程序初始化時，將各個選單的字符串指針指向FLASH中定義的字符串常量，當(dāng)用戶按下上下方向按鍵時只需修改菜單結(jié)構(gòu)體中的selected成員，而后再將菜單的內(nèi)容填充到對應(yīng)的選單結(jié)構(gòu)體進(jìn)行刷新顯示，即可實現(xiàn)上下移動選中條的操作效果。同樣，可根據(jù)當(dāng)前菜單中selected的值來判定要進(jìn)入哪一個功能頁或子菜單。實際操作的頁面顯示效果如圖4所示。

5 結(jié)語
    針對船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的實際需求，設(shè)計了基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實時保護(hù)裝置。在事件檢出與處理模塊的設(shè)計時，既要綜合考慮多通道、多危險類型的情況，又要考慮到保護(hù)類裝置對實時性的要求。采用先單路縱向比較再多路匯總統(tǒng)一處理的方法，很好地解決了多種危險組合與快速準(zhǔn)確保護(hù)之間的矛盾。針對用戶設(shè)置頁面較多的情況，應(yīng)用了樹形菜單的顯示方案，并為方案設(shè)計了對應(yīng)抽象的菜單結(jié)構(gòu)體和對應(yīng)顯示屏的選單結(jié)構(gòu)體，提升了用戶操作的友好性。