中頻爐PLC智能數字數控保護技術的應用
發布者：SXHSJD 發布時間：2019-06-01 10:43:52
隨著供電系統自動化的發展，傳統模式的繼電保護系統已不能完全滿足安全運行、集中管理的需求。應用現場總線技術，實現智能化、網絡化測控保護是技術發展的必然趨勢。為此，我們研制了基于CAN總線的 中頻電爐變壓器智能保護檢測與監控局域網絡系統。目前此技術已在某些冶煉廠得到應用，系統將微機監控與全數字化微機保護測控技術、高速網絡通訊技術結合起來，實現了電爐變壓器的運行參數實時監測與在線故障診斷，為生產過程的優化決策和在線控制提供了科學依據。 金屬冶煉生產過程中 中頻電爐變壓器是主要電氣設備。 中頻電爐的生產能力是企業的一項重要技術指標， 中頻電爐變壓器的功率和安全系數直接影響電爐的生產和企業成本； 中頻電爐變壓器工作條件惡劣，調壓等級多，二次電壓低，電流高達上萬安培，由于冶煉過程的工藝的特殊要求，中頻電爐變壓器必須承受大的電流沖擊和電壓波動。為了變壓器的安全穩定運行，其電氣保護的安全性、有效性和快速性具有十分重要意義。 一、現場總線監控系統組成 CAN是控制局域網絡（ControlAreaNetwork）的簡稱，是由德國Bosch公司為汽車的監測和控制系統而設計的總線式串行通訊網絡，適用于工業過程控制設備和監測設備之間的互連。總線控制系統采用三層體系結構，監控調度主站（監控調度層）--CAN總線（測控層）--智能測控保護單元（監控對象層）。監控調度主站由工業PC機和網卡組成，網卡完成RS－232與CAN總線之間的協議轉換，實現工業PC機與CAN總線連接。 監控調度主站操作系統采用WindowsNT4.0Workstation簡體中文版，軟件采用面向對象的全32位BorlandDelphi編寫，可方便地實現豐富直觀的模擬圖形顯示，報表打印與數據庫處理，特殊功能如開關操作、參數設計需校驗密碼后方能執行，為了提高可靠性，監控調度主機設為兩臺，互為備用。 CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息，通信方式靈活，無需站地址等節點信息，利用該特點可方便地構成多機備份系統。CAN總線通信采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，數據出錯率低，當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉功能，以切斷該節點與總線的聯系，使總線上其它節點及通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。 二、系統硬件組成 1、硬件組成本系統硬件主要包括工業控制機（IPC）現場CAN總線I／O模塊、接口板和測控保護單元等。 , 一拖二中頻爐; 工業控制機（IPC）組成有All－In－One型CPU卡（Pentium－550，32MB內存，512KBCache，EIDE集軟驅動器接口，兩串一并接口）, www.sxhaishan.com，PCI－S3兼容的圖形加速芯片及2MB顯存也集成在卡上。監控主機設為兩臺，互為備用。總線插槽上插高速隔離CAN智能通訊卡I／O模塊（負責與各測控保護單元交換信息）及工控機的CAN總線（高速增強型）接口板。通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，總線收發器使用PCA82C250，提供對總線的差動發送和接收。監控調度主站的工業控制機通過網卡作為數據緩沖與CAN總線連接，SJA1000和PCA82C250組成標準的CAN總線，實現與智能測控單元的數據交換，如圖2所示。 2、系統功能測控保護單元是整個保護監控系統的基礎和關鍵。它由微處理器、信號輸入／輸出回路、通訊接口及相應的軟件構成。系統中MCU選用Intel87C196KC－20，這是由于其運算速度快（每時鐘周期0.1μs），實時處理能力強（HIS、HSO、PTS），內置488BRAM，無寄存器瓶頸, 透熱爐，其運行速度為Intel8098有2～3倍，程序可固化于片內16KBEPROM（OTP），另外擴展一片串行EEPROM作為運行參數存貯器，一片32KBSRAM存貯錄波數據。 控制室內僅放置主機和交流電源裝置，測控保護單元均分散到開關柜上，從開關柜到控制室只有一根雙絞屏蔽通訊電纜連接。 基于可靠性考慮，與電力設備一對一設置，既可獨立并行工作，獨立完成相應一個設備（如一條出線）全數字化數據測量、邏輯運算、故障判斷、保護及手動操作等功能，又可向上位機傳送設備運行數據、開關位置及接受上位機發來的設定值。另外，與主機隔離，即使主機脫離運行也不影響各測控保護單元功能。當需要控制保護的設備增加時，只要在相應設備的開關柜上增設一個單元，便可迅速投入運行。若某一單元出現故障，只需停運該設備，更換相應單元，并不影響其他設備正常運行。 三、系統參數分析 1、主要工藝參數金屬熔煉過程的主要工藝參數包括：UABP、UBCP、UCAP表示電爐變壓器的一次電壓，U1P、U2P、U3P表示二次電壓，IAP、IBP、ICP表示一次電流，TP表示油溫。 根據這些參數的瞬時值及其變化情況，可判斷生產狀況。如變壓器油溫顯著上升意味著變壓器可能過載或內部漏電等。為使車間調度人員和技術人員實時觀測生產過程和設備運行狀態，以迅速調整和確定各工序生產和設備運行，控制各環節的參數，即應用智能保護測控與監控系統，實現電爐變壓器的運行參數實時監測、保護與在線故障診斷，為車間生產過程的優化決策和在線控制提供依據。 2、參數測量分析對上述參數測量采用了數字化測量。所謂電力參數采樣數字化測量，是對交流電信號進行采樣，然后從交流參數（平均值、有效值、功率等）的基本定義出發進行計算，得到測量結果的過程。在本系統中，需要對電爐變壓器的一次電壓、二次電壓、一次電流、二次電流及變壓器油溫等參數進行檢測。用微機進行采樣計算來實現有效值的測量時，先對交流電信號進行采樣，得到離散時間序列，假定每個周期采樣次數為N，電壓離散采樣值為Ui, 中頻煉鋼爐，電流離散采樣值為Ii，則電壓、電流的有效值可以按照數值積分進行計算，用以下兩公式求得：式中T—周期，s；U（t）—電壓瞬時值，V；N—被測信號周期內的采樣點數，次／s； U（i）—電壓信號采樣值，UO、UN為第一次、第N次采樣值，V；I（t）—電流瞬時值, 中頻真空熔煉爐，A；I（i）—電流信號采樣值，IO、IN為第一次、第N次采樣值，A。當電壓及電流為離散值時，其平均功率為：為了消除測量過程中的隨機誤差，對電流電壓等參數的采樣值采用加權平均濾波法進行校正，對于變壓器油溫的測量數據，則采用一階遞推濾波法進行校正。 四、抗干擾保護 中頻電爐變壓器運行環境惡劣，故要求整機有較強的抗干擾能力，電路設計時充分考慮電磁兼容性，數字邏輯的處理全部集成在可編程邏輯陣列中，從根本上提高裝置的抗電磁干擾能力。除了使電路設計、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環節盡可能完善外，電氣電路采用多級隔離，并設二級Watchdog電路。第一級為MCU內置看門狗（WDT）電路，可以防止程序偶爾鎖死，在MCU本身正常的情況下，自動恢復工作。第二級為X25043P提供的外置WDT電路，在第一級失效時（尤其在MCU本身已損壞時）強行復位，并封鎖輸出電路，保證在MCU發生故障時開關不會誤動作。此外，考慮到負荷切換對主流電源產生的干擾、電子開關切換產生的諧震等，電路中又對浪涌干擾進行了硬件保護。主要從電源、MCU和通信等幾部分設計了電路部分。硬件干擾設計的核心基于對低頻分量采用能量吸收和隔離，如設計電容吸收裝置，加入隔離變壓器；對于高頻分量采用吸收、減少偶合度和隔離后再吸收，目的為外部干擾提供一個能夠瀉放的通路，減小電路的敏感度。從設計運行看，以上保護措施使智能測控保護性能較以前更加穩定。陜西西安海山電爐http://SXHSJD.jdzj.com
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