基于STM32F105芯片柴油发电机组控制器的研制2020-08-24 08:22

摘要:发电机组控制器是柴油发电机组必须配置的产品,可以实现发电机组的自动开机、关机、参数监测以及报警保护等功能。该文详细描述了以STM32F105VC为核心的柴油发电机组控制器软硬件系统的设计,论述了采样、开关量输入输出、通信等模块的硬件组成以及各个模块的工作原理。控制器的软件系统采用状态机结构,实现柴油发电机组的启停、采样监测、报警保护等功能。

关键词:柴油发电机组;控制器;硬件;软件

0 引言

发电机组的自动化控制,经历了继电器控制、PLC控制和智能化控制3个阶段,从上世纪末开始由微电脑和电子元件构成的智能控制器控制,将很复杂的外围电路集成到一个模块中,大大简化了控制线路,可靠性也随之得到提升,现在的控制器从设计上趋近于向更智能、更人性化的方面发展[1]

发电机组控制器可以说是发电机组的大脑,随着时代的进步和科学技术的发展,柴油发电机组控制器也有着全新的发展方向。远程监控和智能化方向发展的柴油发电机组控制器将给客户带来更加人性化、自动化的使用感受。

该文旨在介绍用于柴油发电机组自动化以及监控系统的发电机组控制器,实现发电机组的自动开机/停机、数据测量、报警保护以及通过CAN通信实现“遥控”“遥测”“遥调”“遥信”等功能。控制器采用微处理技术,实现了多种参数的精密测量、定值调节以及定时、阈值整定等功能,可使用PC 机通过CAN 通信调整以及测量,可适用于发电机组自动化系统。

1 控制器功能与总体结构

该文介绍的发电机组控制器以STM32F105VC芯片为核心,利用芯片集成的12位AD转换器,可实现0~3.3 V 的温度、油压、液位等5路模拟量电压信号的采集。控制器I/O口满足8路开关量输入、8路开关量输出的需要。

如图1所示,柴油发电机组控制器的硬件包含以下模块:直流量采样模块、交流量采样模块、开关量隔离输出模块、开关量隔离输入模块、CAN 通信模块、232通信模块等。通过直流采样模块实现对温度、油压、液位的高精度采集,交流采样模块实现对发电机三相电压、电流、频率的高精度采集,通过对开关量输出的控制实现机组的开机、关机、紧急停机保护等功能,通过开关量输入模块以及对温度、油压、液位、三相电压信号的判断对控制器实现保护停机等功能,通过CAN 通信实现对机组控制器的“四遥”功能,232通信实现与显示屏的通信。

图1 控制器总体功能与结构

2 控制器的硬件系统

2.1 采样模块

控制器的采样主要分为直流量采样和交流量采样两部分。

2.1.1 直流量采样模块

直流采样模块主要实现对温度、油压、液位等模拟量电压信号的采集以及蓄电池电压信号的采集。

图2为5路温度、油压、液位信号采集电路其中的1路,将采集的温度、油压、液位传感器的电压信号AD_in3,在程序里将其转换为电阻信号,根据电阻信号与温度、油压、液位的曲线关系得到此时外部的温度、油压、液位值。

蓄电池电压采集电路通过HCPL7840隔离光耦实现电气隔离,同时可将输入信号进行放大,得到差分输出信号,蓄电池电压采样电路如图3所示。通过采集AD_in,根据AD_in和外部蓄电池电压的比例关系得到蓄电池电压,对蓄电池电压大小进行监测,并根据其大小做采样保护。

图2 温度、油压、液位模拟量信号采集电路

图3 蓄电池电压采样电路图

2.1.2 三相交流电采集模块

三相交流电采集主要包括发电机三相电压、三相电流、频率、相位、功率因数等信号的采集,该模块主要由电能计量芯片ADE7858、电压传感器模块、电流传感器模块、RC滤波电路等组成。

ADE7858是美国ADI公司针对智能电表、工业电源监控开发的高精度三相电源测量集成芯片,该芯片通过SPI串口与单片机进行通信,将三相交流电源的电压、电流信号经采样处理计算,得到有功功率、无功功率、视在功率、电压、电流、频率、功率因数、相序等参数,具有精度高、动态范围宽的特点。如图4所示,电流通过电流互感器和采样电阻后变为电压信号,再将该电压信号输入ADE7858 的电流信号输入端,ADE7858 可自动转换成电流信号的采集;电压信号通过限流电阻后变为电流信号,该电流信号经过互感器和采样电阻后变为电压信号,再将该电压信号输入ADE7858 的电压信号输入端;通过三相电压信号和三相电流信号,ADE7858 经过相应的配置后可自行完成电压、电流、相位、功率、功率因数、频率等电能参数的计算。

图4 ADE7858三相交流电采集模块

基于ADE7858 电量计量芯片的交流电源模块,实现了交流电源参数的数字化测量,硬件电路简单,软件代码少,采样参数多并且精度高,可靠性高,性能稳定,可以满足型号产品的应用需求。

2.2 开关量模块

2.2.1 开关量输入模块

开关量输入电路采用光耦HMHA2801A 实现前后级的隔离,输入电压范围为0~1.8 V。当输入为低电平时,光耦后级打开,输出高电平;当输入为悬空时,光耦后级关断,输出低电平。

2.2.2 开关量输出模块

开关量驱动输出电路同样采用光耦HMHA2801A实现前后级的隔离,输入为低电平,光耦后级关闭;输入为高电平,光耦后级导通。可根据需求实现后端MOSFET电路的驱动。

2.3 通信模块

通信模块主要包括通过232与显示屏通信,通过CAN与上位机进行通信。

通过MAX232芯片与显示屏进行232通信,MAX232芯片内部设置了静电保护电路,可有效抑制高达1.5 kV的静电电压,保护器件不受人身静电损害;该芯片包含2组独立的RS232电平转换通道;只需4只0.1 μF小电容配合,即可正常工作。

CAN通信电路主要采用AD公司的CAN收发芯片ADM3053,该芯片基于AD公司的磁隔离专利技术,是具备±15 kV 保护功能的完全集成式隔离数据收发器,可以达到1 Mbps传输速率。与传统CAN通信电路相比,ADM3053由于具有集成式隔离DC/DC电源,因此不再需要外部隔离DC/DC电源模块,大大简化了电路设计,同时提高了瞬态共模抑制能力。

3 控制器的软件系统

3.1 开机流程

机组开机流程如图5所示,在控制器里控制延时时间,让流程中对应的开关输出量闭合或者断开,实现机组的启停。当开机键按下或者远程开机输入有效时,进入开机延时,开机延时结束后,预热继电器输出,预热延时结束后,泵油继电器输出,然后启动继电器输出;如果在启动时间内发电机组没有启动成功,启动继电器停止输出,进入启动间隔时间,等待下一次启动;在设定的启动次数内,如果发电机组没有启动成功,则启动失败报警,泵油继电器停止输出;在任意一次启动时,若启动成功,则进入安全运行时间,在此时间内油压低、水温高、欠速以及辅助输入(已配置)报警量等均无效,安全运行延时结束后则进入高速暖机延时,当高速暖机延时结束时,若发电正常则发电状态指示灯亮,发电机组进入正常运行状态;如果发电机组电压或频率不正常,则控制器报警停机。

图5 机组开机流程

3.2 关机流程

当关机键按下或者远程关机输入有效时,停机延时开始;停机延时结束后,开始高速散热延时。当进入得电停机延时时,得电停机继电器加电输出, 燃油继电器输出断开;当进入发电机组停稳时间时,自动判断是否停稳;当机组停稳后,进入发电待机状态;若机组不能停机则控制器报警显示停机失败警告。关机流程如图6所示。

图6 机组关机流程

3.3 报警保护

报警保护分为停机报警和警告保护。在机组启动的整个过程,并不是每一个阶段所有的报警都有效。水温高输入停机、油压低输入停机、油温高警告、油压低警告、缺相停机、逆相停机在机组启动成功后安全运行延时后有效。

欠速停机报警、欠频停机报警、欠压停机报警、欠速警告、发电欠频警告、发电欠压警告在高速暖机延时开始时有效。关机过程中:水温高输入停机、油压低输入停机、油温高警告、油压低警告、缺相停机、逆相停机、欠速停机报警、欠频停机报警、欠压停机报警、欠速警告、发电欠频警告、发电欠压警告均无效。其余报警如超速警告、过频、过压等报警信息在机组运行的整个过程都有效。

4 结论

该文创新点是将控制芯片STM32F105VC与硬件电路相结合设计出发电机组控制器的软硬件系统。控制器的人机界面能显示各种运行状态参数和故障信息以及系统参数,具有内容丰富、操作简便等优点。模拟量采集A/D 转换利用该芯片的主A/D 转换通道完成,以便直接对油温、油压、液位传感器进行采样, 从而简化了控制器的硬件电路。三相交流电模块采用ADE7858 电能计量芯片进行发电机三相电压、电流、频率信号的采集。这样简化了硬件电路和软件代码,又提高了采样精度,可以满足产品高精度的应用需求。通过CAN通信可以实现“遥控”“遥调”“遥信”“遥测”四遥功能:远程控制机组启停、远程调整参数设置、远程通信、远程上传测量油温、油压、电压等关键参数。远程监控和智能化的设计给客户带来更加人性化、自动化的使用感受。