２０１０仨 仪．表技术与传感器 ２０１０ 第５期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．５ 基于Ｍｏｄｂｕｓ总线的智能断路器控制器设计 曾 哲 ，戴瑜兴 ，王卫国 （１．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１００８２ ２．天正集团有限公司，浙江温州３２５６０４） 摘要：主要介绍了Ｍｏｄｂｕｓ协议的智能断路器控制器的设计，采用模块化的设计思想，整个系统分为控制器模块和通 信模块，分别用单片机进行控制，阐述了硬件设计思想和软件流程。实验测试表明，系统可靠性高、成本较低、扩展性能 好。 关键词：智能断路器；单片机；Ｍｏｄｂｕｓ 中图分类号：ＴＭ５６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１０）０５—００５８—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｒｅａｋｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｂｕｓ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ ＺＥＮＧ Ｚｈｅ ，ＤＡＩ Ｙｕ—ｘｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｇｕｏ （１・Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｅｎｇｅｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｗｅｎｚｈｏｕ ３２５６０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｂｕｓ ｆｉｅｌｄｂｕｓ，ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｍｏｄｕｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅｍ ｗｅｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ＭＣＵ， ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｗａｓ ｇｉｖｅｎ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｉｔ ｈａｓ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｅｘｔｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ；Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；Ｍｏｄｂｕｓ ７８Ｌ０５输人端电压，并且输出一个ＰＷＭ信号调节场效应管 ＩＲＦ５４０的开关时问，使得７８１＿０８输入端的电压稳定在ｌ２ Ｖ左 右，保证７８Ｌ０８输出稳定的８ Ｖ电压给信号调理电路供电，再通 过精密并联稳压器ＴＬ４３１并配置外部电阻Ｒ ＝Ｒ 就可以输出 稳定的５ Ｖ电压给单片机供电。要注意的是，场效应管的导通 与截止，会引起电流互感器负载阻值的变化。在一定频率下， 根据电流互感器特性，电流互感器的负载阻值和次级电流大小 成反比，因此ＰＷＭ会引起检测信号的变化，在软件上需要对其 进行补偿。 图２ 自生电源模块电路图 ２．２信号采集单元 考虑到在低压电网中，进入Ａ／Ｄ转换的电流信号范围较 大，为保证较好的线性范围，采用空芯互感器。同时，为了提高 采样精度，在信号采集电路中将信号分成小信号和大信号两 组，对小信号利用硬件电路进行放大处理后输入单片机，而大 信号则直接输入。根据电流互感器的性能参数选择小信号的 放大倍数，使放大后的电流保持在Ａ／Ｄ转换量程的８０％以 内。 ２．３通信接口单元 基金项目：浙江省重大科技专项项目（２００７Ｃｌ１０７２） Ｍｏｄｂｕｓ协议的物理层一般都采用ＲＳ－４８５半双工结构作为 收稿日期：２００９—１０—１７收修改稿日期：２０１０—１２—０３ 通信接口标准。通信模块的主控芯片选用的是Ｍｃｇｓ０８ＤＺ６０， 第５期 曾哲等：基于Ｍｏｄｂｕｓ总线的智能断路器控制器设计 ５９ 它有２个串口，可分别通过ＲＳ－ｄ８５接口同控制器模块和上位机 相连。因断路器应用于各种复杂的现场环境，该设计采用了 ＳＮ６５ＨＶＤ２２作为ＲＳ－ｄ８５收发器，它的共模电压范围为一２０— ２５ ｖ，超过了ＴＩＡ／ＥＩＡ－４８５两倍的要求，针对噪声与失效情况提 供了良好的保护功能。它的驱动能力强，能够在５００ ｋｂｉｔ／ｓ的 速率下传输１ ２００ ｍ的距离，满足对断路器进行远程控制的长 线缆应用。 ３软件系统设计 ３．１信号采集与三段保护 采样程序使用了分时检测以缩短检测时间，提高响应速 度，方便其它功能的扩展。对未经过放大通道的检测电流，每 ２０ ｍｓ作为１个周期，每个周期采样３２次，每次检测ＡＢＣ三相 的电流；对经过放大通道的检测电流，因只用于长延时保护，实 时性要求较低，每个周期只采样１相，４个周期采样完ＡＢＣＮ四 相的电流。在长延时保护程序中，平时采用放大通道的采样 值，只有当放大通道的采样值超出设定的阈值时，才采用未放 大通道的采样值进行能量累积计算。 智能断路器实现过载长延时，短路短延时，短路瞬动的三 段保护功能。三段保护算法基于定时限和反时限的保护特性， 定时限保护是实际电流超过保护阀值后按设定的时间脱扣保 护，动作时间恒定；反时限保护实际是模拟热磁效应，采用能量 累加的方式调整保护延时，当实际电流超过保护阀值后，脱扣 动作时间跟实际电流的平方成反比 。对于过载长延时保护 功能，只采用反时限特性，在程序中设定一个过载阀值和一个 能量阀值，采样值大于过载阀值时，能量进行累加，当能量累加 超出设定的能量阀值时，发出脱扣信号，电流越大，能量的累加 就越快，当电流回落到过载阀值以下，能量也会以一定比率减 少直至为零进入正常工作状态。系统以１．１ Ｉｔ（，ｒ为长延时整 定电流值）为过载阀值，使得实际电流为１．０５， 时２ｈ内不动 作，１．３ Ｉｒ时在２ ｈ内动作，具体保护延时时间按照长延时反时 限公式： １ ， ＝（半） ×ｔ （１） 』 式中： 为长延时动作时问；，为实际电流；ｔ 为长延时整定时 间。 对于短延时保护，采用反时限加定时限保护方式，当短延 时整定电流， ＜８１，时，按照短延时反时限公式保护： ８， ＝（ ） ×ｔ （２） 』 式中： 为短延时动作时间；，为实际电流；￡ 为短延时整定时 间。 短延时整定电流大于８，『时，按照整定时间ｔ 动作；对于 短路瞬时保护，当实际电流连续两个采样周期大于设定值后立 即动作。它们三者的整定电流必须遵循长延时整定电流， ≤ 短延时整定电流，ｓｄ≤短路瞬时整定电流，。．信号采集与三段保 护的流程图如图３所示。 ３．２通信软件设计 在标准的Ｍｏｄｂｕｓ网络上，有两种传输模式：ＡＳＣＩＩ和ＲＴＵ， 图３信号采集与三段保护流程图 ＡＳＣＩＩ模式是将一个字节分为两个ＡＳＣＩＩ字符发送，而ＲＴＵ模 式直接以十六进制传送数据，数据传送的效率高于ＡＳＣＩＩ模式 。该设计采用ＲＴＵ传输模式。使用ＲＴＵ模式时，两帧数据 之间靠间隔３．５个字符时间来进行区分，如果一帧数据在小于 ３．５个字符时间内接着前一帧开始，接收的设备将认为它是前 一帧的延续。 设计采用定时中断来确定数据帧的起始和终止，一旦接收 到数据，则进入接收中断函数进行保存，并启动３．５倍字符时 间使能函数，允许定时中断。在３．５倍字符时间内，收到下一 帧数据，则再次进入接收中断函数保存数据，重新启动３．５倍 字符时间使能函数；否则，进入定时中断函数，更新事件信号量 为帧已接收完毕状态，禁止定时中断。在主函数的主循环中对 事件信号量进行检测，当检测到事件信号量更新为接收完毕状 态，判断该帧的目的地址是否为该从站的设备地址或广播地 址，核对接收到的帧的功能码，若有相应的功能码，调用子函数 进行功能解释，否则发送例外响应帧，收发数据流程如图４所 示。 ３．３上位机监控软件设计 采用Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０开发的上位机监控软件，具有良好的 人机交互界面，能让用户对整个网络中的各节点进行操作。上 位机系统同通信模块采用主从方式进行通信，上位机每隔一段 时间（可设定，通常设置为１ Ｓ）向通信模块发送查询信号，通信 模块收到查询信号后，向控制器申请查询，控制（下转第６２页） ６２ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｍａｖ．２０１０ 图６给出了实际频率值和经过小数分频算法组合后得到 的频率值的对比曲线。点划线Ａ是根据式（２）由，Ｍ为９．００９ ｋＨｚ和 ＋。为８．９２９ ｋＨｚ进行组合、基于Ｍａｔｌａｂ绘制出的频率 ４结束语 提出一种基于ＦＰＧＡ的新型全数字锁相倍频设计思想，给 出了详细的设计方法，由于该方法能够完全使用硬件描述语言 Ｖｅｒｉｌｏｇ实现全数字逻辑电路，因此可对输入信号进行快速采样 和锁定。通过在ＱｕａｒｔｕｓⅡ综合开发平台中进行的仿真分析，以 及利用Ｍａｔｌａｂ软件进行的频率误差曲线分析，验证了该方法的 可行性，证明了该方法具有精度高，锁相速度快等优点，具有一 定的实际应用价值。 参考文献： ［１］张厥盛，郑继禹，万心平．锁相技术．西安：西安电子科技大学出版 社．２０００． 值，直线Ｂ是实际输入的频率值。通过计算分析得知，利用该 小数分频方法产生的输出信号误差不超过实际信号的 ０．Ｏ１％ ９．０ｌ ９．ｏ０ ８．９９ ８．９８ ８．９７ ８．９６ ８．９５ ８．９４ ８．９３ ８．９２ ［２］ 张宪起，鲁争焱，张浩然．基于ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ控制系统的设计方法． 集成电路通讯，２００７，２５（１）：１—６． ［３］ 庞浩，俎云霄，王赞基．一种新型的全数字锁相环．中国电机工程 学报，２００３，２３（２）：３７—４１． 图６两种频率值的对比 ［４］ 单长虹，孟宪元．基于ＦＰＧＡ的全数字锁相环路的设计．电子技术 应用，２００１（９）：５８－６０． 这里需要强调的是分频因子 必须足够大。因为当系统 时钟频率为２００ ＭＨｚ时，在Ｑｕａｒｔｕｓ的报告中会提示系统时钟 频率经分频因子分频后的频率值最大不超过７５ ＭＨｚ，也就是说 从数控振荡器输入时钟到分频因子正确输出，至少需要１４ ｎｓ 的时间，而且分频因子输出时数控振荡器的计数应小于分频因 子，否则会导致输出错误。 （上接第５９页） ［５］ 鄢华浩，王枚，赵利．一种新型频率合成器的实现．现代电子技术， ２００４（５）：１０—１２． 作者简介：郭雨梅（１９６５一），教授，博士研究生，主要从事现代检测技术 及装置、智能仪器和网络化测控技术等方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｙｍ１ １２＠１６３．ｃｏｍ 图５系统监控界面 器在线监测等功能，且成本低，易于实现。模块化的设计，也提 高了实际应用中选择的灵活性。 参考文献： ［１］李彬，萧德云，张正芳．基于单片机和ＣＰＬＤ的智能ＵＯ模块设计． 计算机工程与应用，２ＯＯ６（３６）：６６—６９． ［２］ 邱杏飞，吴为麟．新型智能控制器的研究与开发．电力系统及其自 图４通信模块收发数据流程图 动化学报，２００５，１７（３）：８７—９０． 器经通信模块将电流等数据发送给上位机。此外，上位机还可 以设置控制器的整定参数以及发送远程合分闸命令。图５为 ［３］全国低压电器标准化技术委员会．ＧＢ１４０４８．２－２００１低压开关设 备和控制设备低压断路器．北京：中国标准出版社，２００１． ［４］ 汪献忠，刘巍，吕运朋．基于ＭＯＤＢＵＳ协议的工业智能通讯模块 的设计．仪表技术与传感器，２００６（６）：４７—４９． 『５］ ＧＢ／Ｚ１９５８２．１ 基于Ｍｏｄｂｕｓ协议的工业自动化网络规范，第１ 部分：Ｍｏｄｂｕｓ应用协议，２００４． 在波特率９ ６０Ｏ ｂｉｔ／ｓ下，设置Ｍｏｄｂｕｓ帧间间隔为５０ ｍｓ，超时时 间为３００ ｍｓ，查询时间为１ ｓ时，对节点地址为１０的额定１００Ａ 断路器线路电流有效值进行监控的系统监控界面。 ４结束语 文中设计的基于Ｍｏｄｂｕｓ总线的智能断路器控制器不仅可 作者简介：曾哲（１９８４一），硕士研究生，研究方向：嵌入式系统及应用， 现代通信与网络技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｊｓ．ｃｚ＠１６３．ｃｏｍ 以精确、灵活地实现三段保护功能，还可以实现故障报警、断路
