劉文凱1 李敏1 蔡 磊2
（1．山東省建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250001
2．江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）
摘 要：介紹一款基于8位單片機(jī)ATmega128為主控芯片，具有16路輸出的ARTU-J16型遙控單元的設(shè)計(jì)原理，以及該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用案例。
0 引言
在電力及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，斷路器的分合、電機(jī)的啟停，電磁閥的開(kāi)閉等，有眾多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常使用多個(gè)PLC或帶有通訊和開(kāi)關(guān)量輸出功能的現(xiàn)場(chǎng)儀表組成一個(gè)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，但高昂的成本和繁瑣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給自動(dòng)化設(shè)計(jì)、應(yīng)用帶來(lái)困擾。
本文介紹一款具有16路遙控接點(diǎn)輸出的ARTU-J16，該裝置通過(guò)RS485總線與上位機(jī)相連，作為遠(yuǎn)程繼電器輸出模塊，用于接收計(jì)算機(jī)指令，執(zhí)行系統(tǒng)的遙控操作或自動(dòng)控制，繼電器輸出共16路，裝置擁有1600組操作事件記錄，帶GPS校時(shí)功能,在外部電源掉電后可以保證SOE事件記錄一個(gè)月內(nèi)不丟失，相對(duì)以往控制方式，本設(shè)計(jì)在簡(jiǎn)化控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提供了一種低成本，高可靠性的替代方案。
1 電路設(shè)計(jì)原理
ARTU-J16遙控單元硬件主要包括主CPU芯片、撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定輸入、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、雙路RS485通訊、SOE事件記錄存儲(chǔ)、看門(mén)狗控制、繼電器控制及輸出、供電電源模塊等8部分組成（見(jiàn)圖1）。
圖1 電路結(jié)構(gòu)
1.1 主控CPU
ARTU-J16型16路遙控執(zhí)行單元設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的ATmega128,單芯片實(shí)現(xiàn)雙路RS485通訊、數(shù)據(jù)處理、事件記錄存取，顯示和16路繼電器常開(kāi)接點(diǎn)的輸出狀態(tài)控制。ATmega128是ATMEL公司推出的一款8位RISC結(jié)構(gòu)高速低功耗單片機(jī)，在16M時(shí)鐘頻率時(shí)系統(tǒng)性能可達(dá)16MIPS，內(nèi)帶128k的FlashROM、4k的EEPROM、4k系統(tǒng)SRAM；可擴(kuò)展64k外部存儲(chǔ)器；兩路UART通訊口。同時(shí)該芯片擁有JTAG在線編程口，方便用戶調(diào)試，降低了開(kāi)發(fā)成本，53個(gè)可編程I/O口可以掛接足夠多的外圍設(shè)備。
1.2 撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定輸入
撥碼開(kāi)關(guān)提供用戶一個(gè)簡(jiǎn)化的人機(jī)接口，用于設(shè)定RS485通訊中的地址、波特率、數(shù)據(jù)格式等設(shè)定功能，撥碼開(kāi)關(guān)（SW1）的10位數(shù)據(jù)口都接10k電阻上拉到Vcc，電路使用一個(gè)74HC244（IC5）數(shù)據(jù)緩沖器，把撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)傳送到8位數(shù)據(jù)總線，剩余兩根數(shù)據(jù)線則直接接到CPU的I/O端口（見(jiàn)圖2）。
圖2 撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定輸入電路
1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025A（IC4）提供給系統(tǒng)SOE事件的時(shí)間記錄點(diǎn)，該芯片擁有400kHz 串行I2C總線接口，內(nèi)置頻率為32.768 kHz 的石英振蕩器，提供寬溫、高穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)。
1.4 通訊方式
通訊方式采用雙路RS485方式，調(diào)試及設(shè)定和上位機(jī)通訊部分在物理上分成兩路，互不干擾，有效防止可能存在的誤操作（見(jiàn)圖3）。
圖3 雙路RS485通訊電路
1.5 SOE事件記錄存儲(chǔ)
SOE事件記錄存儲(chǔ)器使用32k低功耗SRAM（IC3）IC61C256AH和后備電源形成一個(gè)斷電不丟失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，使用數(shù)據(jù)鎖存器74HC373（IC2）和CPU的PC端口組成15位數(shù)據(jù)地址對(duì)IC3進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作（見(jiàn)圖4）。 {$page$}
圖4 事件記錄存儲(chǔ)電路
1.6 看門(mén)狗控制
掉電自動(dòng)保存部分使用MAX691CWE（IC8）作為電源管理，在系統(tǒng)有輔助供電的情況下保證IC3由主電源Vcc供電，當(dāng)主電源掉電時(shí)則自動(dòng)切換到后備電池供電方式。同時(shí)此芯片還兼有看門(mén)狗功能，在系統(tǒng)死機(jī)的極端情況下及時(shí)復(fù)位CPU使系統(tǒng)快速恢復(fù)至受控狀態(tài)（見(jiàn)圖5）。
圖5 看門(mén)狗電路
1.7 繼電器控制及輸出
繼電器控制輸出使用一個(gè)74HC273（IC14）鎖存需要輸出的8路繼電器輸出狀態(tài)，再經(jīng)由ULN2803（IC15）驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的繼電器（K1只是16路中的一路），二極管D1可以旁路繼電器K1在斷開(kāi)的瞬間所產(chǎn)生的反向電流，而并接在K1輸出接點(diǎn)上的壓敏電阻VZ1則可以吸收關(guān)斷后級(jí)感性負(fù)載所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，有效延長(zhǎng)輸出繼電器觸點(diǎn)的壽命（見(jiàn)圖6）。
圖6 繼電器控制及輸出
1.8 電源部分
電源模塊采用PI公司的開(kāi)關(guān)電源芯片，輸入范圍為AC/DC 80-270V，電源共有3路輸出，分別給CPU，繼電器驅(qū)動(dòng)、通訊等部分電路提供電源。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖7。
圖7 軟件流程圖
3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)
ARTU-J16采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝。前端帶通信指示和信號(hào)運(yùn)行通道指示2組指示燈，通信有兩路RS485接口，一路用于通用參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試，另一路用于和上位機(jī)通訊。產(chǎn)品頂端設(shè)有撥碼開(kāi)關(guān)窗口，可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置產(chǎn)品通訊地址和波特率。產(chǎn)品符合JB/T10388-2002《帶總線通信功能的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品通用技術(shù)條件》、GB/T7261-2000《繼電器及裝置基本試驗(yàn)方法》和GB/T13729-2002《遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)。
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1
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性能 |
指 標(biāo) |
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輸出回路 |
16路繼電器輸出（脈沖或保持方式） |
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輸出容量 |
AC 5A/220V或DC 5A/30V |
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總線方式 |
二線制半雙工RS485（ModBus—RTU）建議采用三芯屏蔽線 |
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總線容量 |
≤32 |
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操控準(zhǔn)確率 |
100% |
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事件順序記錄（SOE）容量 |
1600組 |
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外殼防護(hù)等級(jí) |
IP20 |
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電源 |
DC24V或AC/DC200V |
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電源功耗 |
＜５Ｗ |
4 應(yīng)用案例
以某配電系統(tǒng)為例，1臺(tái)ARTU-J16控制8路低壓饋線，CM1斷路器配電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)，一次方案見(jiàn)圖8（a），控制方式見(jiàn)圖8(b)。啟停按鈕現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制各回路斷路器的合、分閘，遙控單元通過(guò)通訊接口集中控制8路斷路器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斷路器就地與遠(yuǎn)程兩地控制的工作模式。
圖8
5 結(jié)束語(yǔ)
ARTU-J16遙控單元于2007年12月在國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該產(chǎn)品已在某油田供水供電公司、蘇州某稅務(wù)大廈、內(nèi)蒙某煤礦等工程配電監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用，降低了投資成本，產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1] 上海安科瑞電氣有限公司.ARTU四遙單元安裝使用說(shuō)明書(shū),2008.07版.
[2] 任致遠(yuǎn)，周中.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，2007. <