基于PIC24F的柴油發(fā)電機檢測與自動化系統(tǒng)

摘要 針對原有柴油發(fā)電機組的專用控制器功能單一、集成度低、測量精度和響應速度低等問題，設計了一款基于PIC24F的柴油發(fā)電機檢測與自動化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)控制作用下，可實現(xiàn)市電故障檢測以及無人值守條件下的自動運行。通過實驗證明，文中所使用的差動式低通放大電路作為前置電壓采樣電路和軟件補償算法，可較好地抑制共模干擾信號，高頻干擾信號，沖擊噪聲，提高了測量的準確性與可靠性。與以往的雙電源供電和外置AD做法相比，文中所采用的單電源加偏置電壓的信號采集電路成本降低，外圍器件減少，且縮小了電路體積。

柴油發(fā)電機組是內(nèi)燃發(fā)電機組的一種，由柴油機、三相交流同步發(fā)電機和控制系統(tǒng)等組成。由于傳統(tǒng)的柴油機控制系統(tǒng)都是分離式、半自動和手動的居多，其體積較大，性能指標較低。隨著科技的發(fā)展，對發(fā)電機組工作過程中各種動態(tài)參數(shù)的控制精度要求越來越高，要求具備遠距離遙控、遙測、遙信功能，并能實時存儲、上報動態(tài)參數(shù)等，依靠傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已無法滿足上述要求。文中采用Microchip公司的PIC24FJ64作為控制器的核心處理器，其成本低，可靠性高，自帶A/D和一些通訊接口。實驗結(jié)果表明，所設計的柴油機控制器能夠?qū)崟r采集多通道數(shù)據(jù)，所用測量方法測量精度較高，響應速度較快，并通過串行總線與計算機通訊，實時顯示機組工作狀態(tài)，記錄各項報警參數(shù)，并通過短信告知用戶。

1 系統(tǒng)的設計

設計采用16位的PIC24FJ64GA為主芯片，其帶有10位A/D、UART、SPI接口和CAN接口，完全可滿足設計要求，且有成本低，可靠性高的特點。圖1中，市電和發(fā)電機三相電參數(shù)通過信號調(diào)理電路輸送1給主芯片的A/D口，發(fā)電機的油溫油壓等參數(shù)通過信號調(diào)理電路2輸送給主芯片的A/D口，作為備用電源時，工作在自動模式，此時監(jiān)測市電參數(shù)并且當市電電壓出現(xiàn)異常時，進行分閘操作，此時自動啟動柴油發(fā)電機，等待啟動完畢后，進行合閘操作，給予供電，當市電恢復時，合閘至市電電網(wǎng)，同時進行柴油發(fā)電機的停機操作，實現(xiàn)自動合分閘(ATS切換)。作為電源使用時，工作在手動模式，手動控制發(fā)電機啟動。發(fā)電機啟動后，將實時檢測發(fā)電機運行的各項參數(shù)，同時通過SPI傳送至128×64液晶屏顯示，此外，該控制器還配有CAN和485 接口，通過與PC機連接，可以通過上位機來設定控制器的參數(shù)，也可將控制器采集到的數(shù)據(jù)顯示在上位機上，CSM模塊可以將報警信息以SMS方式發(fā)送到用戶手機。

2 電路設計

2.1 三相電壓檢測信號調(diào)理電路

該電路的目的是將三相電壓轉(zhuǎn)換成處理器A/D可輸入的電壓范圍，該信號調(diào)理電路運用運放電路中的差動電路來實現(xiàn)，圖2為實現(xiàn)L1-N的線電壓轉(zhuǎn)換，由于PIC24FJ64CA的A/D電壓范圍為0～3.3 V，且交流電的負電壓不能被A/D所采樣，以往的設計往往是使用專用的A/D芯片轉(zhuǎn)換負電壓，這樣就增加了成本。本文通過在同相輸入端增加了1.6 V的偏壓信號，使得正弦波幅值上移，這樣可以正向電壓則在1.6～3.3 V之間，而反向電壓在0～1.6 V之間，0位為1.6 V，在0～3.3 V能采集到完整的正弦波，這種方法的優(yōu)點在于，前置電路處理簡單，成本極大的降低了，并使得CPU處理交流電壓變得方便。設計測量電壓的量程為0～450 V，取比例系數(shù)為K=RF/R4=0.002，使得輸出電壓范圍在0.7～2.5 V之間，由于現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)交流電中存在較大的干擾信號。

(1)當閘門關(guān)閉時，零線上存在極大的擾動電壓，這是由于電網(wǎng)中其他用電設備在交流回路上會產(chǎn)生電壓。

(2)輸出電壓波形上疊加有高頻干擾信號。因此本電路在偏壓端，也就是同相輸入端加入C1用于濾除零線上的干擾信號，輸出端加入C2濾去高頻信號。

同理測得另外兩相電壓L2-N，L3-N的線電壓，再通過計算公示可得出L1-L2，L2-L3，L3-L1的相電壓。

3 dB帶寬fc=1.32 kHz，該帶寬可以通過50 Hz交流電，而對頻率高于1.32 kHz的信號有抑制作用，該電路設計的信號效果如圖3所示。

2.2 三相電壓頻率信號調(diào)理電路

該電路的目的是將交流電的正弦波信號轉(zhuǎn)換成單片機計數(shù)器口所能識別的方波信號，并能抑制高頻干擾，使測量結(jié)果準確?；驹O計思路是通過一個有限增益反饋型二階低通濾波器和一個雙限比較器來實現(xiàn)，具體實施電路如圖4所示。

第一個運算放大器環(huán)節(jié)為有限增益反饋型二階低通濾波器，其輸入與輸出的傳遞函數(shù)如下

通過分析計算可知，帶寬為212.31 Hz，幅頻特性無諧振，無超調(diào)量，滿足設計性能指標。

2.3 通訊接口電路

2.3.1 RS-485通訊接口

由于PC機的串行通訊總線是RS-232電平，因此要使RS-485總線可與PC機通訊，則需將RS-485轉(zhuǎn)成RS-232，利用Modbus協(xié)議與上位機通訊，RS-485接口采用RSM3485芯片接受上位機可通過該口接受控制器監(jiān)測到的參數(shù)，也可通過該口設置一些控制參數(shù)。采用RS-485，其電平格式為差分的形式，能抑制共模干擾，因此其通訊距離比RS-232要長得多。對于有監(jiān)控要求的用戶，可使得監(jiān)控室設置在離機房較遠的地方。

2.3.2 CAN通訊接口

CTM1050T是5V的高速隔離CAN收發(fā)器。在設計中，采用屏蔽線方式通訊，這樣可抑制電磁干擾，屏蔽層接致CANSCR引腳，其中R9和C12為耐高壓電阻電容，該電路設計特點是能抑制電磁干擾，防止總線過壓引起的電路燒毀。

3 軟件設計

3.1 電壓參數(shù)檢測軟件設計

市電/發(fā)電的電壓信號，通過信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為0～3.3 V之間的低壓信號輸入到PIC24FJ64GA的A/D口，根據(jù)正弦波頻率50 Hz，設定采樣轉(zhuǎn)換周期為2 kHz，設計采用每個轉(zhuǎn)換周期轉(zhuǎn)換8次數(shù)據(jù)，一個正弦波周期采樣40個數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進行濾波，轉(zhuǎn)換得到最終結(jié)果。

第k次采集到的A/D的值，buf0～buf7為存放A/D讀數(shù)的緩存區(qū)，為抑制瞬態(tài)干擾，對buff中的數(shù)據(jù)進行排序，排序后采用中位值取平均。

D(k)=(buf3+buf4)/2 (13)

根據(jù)A/D參考電壓為3.3 V，10位A/D，每個A/D讀數(shù)表示3.225 mV，上述信號調(diào)理電路放大倍數(shù)為0.002，也就是2 mV表示1 V。計算每個A/D讀書表示電壓的值

A=3.225/2=1.57 (14)

根據(jù)信號調(diào)理電路，加1.6 V的偏壓，0位為1.6 V，A/D讀數(shù)為512，將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓值

u(k)=[D(k)-512]/1 023×A (15)

將一個正弦波周期采集到的值求均方根，得到T時刻一個正弦波周期的有效值

在實驗中發(fā)現(xiàn)若只采集1個正弦波算出有效值并直接顯示，則顯示的有效值會不穩(wěn)定，并呈周期性跳變，因此采用一階滯后濾波算法。

Uf(T)=(1-a)×U/(T)+a×Uf(T-1)，0a1 (17)

式中，Uf(T)為T時刻濾波后輸出的電壓值;U(T)為T時刻的采樣值;a為一階濾波系數(shù)。當a越大時，數(shù)據(jù)越平滑，響應速度越慢;當a越小時，響應越快，但穩(wěn)態(tài)時數(shù)據(jù)變化大。為克服這一缺點，使a的變化具有誤差帶開關(guān)，當其進入誤差帶時，a較大，而當U(T)變化較大時，a較小，其實現(xiàn)方法為

電壓檢測軟件流程如圖7所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

柴油發(fā)電機控制器是一個典型的實時控制系統(tǒng)，在運行中要保證采樣、計算、保護、控制、通信等任務。終端控制軟件是在硬件平臺PIC24FJ64GA和開發(fā)環(huán)境MPLAB中采用C語言開發(fā)、采用模塊化程序設計，便于功能擴展。整個程序包括的子模塊有：系統(tǒng)各I/O端口的初始化、按鍵控制模塊、參數(shù)采集模塊、邏輯判斷模串行通信模塊等。

該控制系統(tǒng)通過檢測市電電壓，當電壓欠壓時進行市電供電分閘操作，并同時給出啟動柴油發(fā)電機命令，當發(fā)電機運轉(zhuǎn)一切正常后，進行發(fā)電機供電合閘操作，若發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，油溫、油壓、溫度、水溫等參數(shù)出現(xiàn)問題，則進入報警停機狀態(tài)，并將報警信息傳輸給用戶。在發(fā)電機供電運轉(zhuǎn)時，市電供電恢復，則控制器進行發(fā)電機供電分閘和市電合閘，并控制發(fā)電機停機操作，具體的軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文通過對柴油發(fā)電機組的研究，設計了基于柴油發(fā)電機組的控制器，實現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，完成了硬件設計和軟件設計。經(jīng)實驗證明，本文設計的信號處理電路及數(shù)字濾波辦法，可以有效地提高測量精度和響應時間，對于大負載導致的發(fā)電機電壓變化可快速地響應顯示。設計的濾波電路能有效抑制發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的紋波干擾而產(chǎn)生的電壓跳變，此外，其能實現(xiàn)ATS功能，可用于樓宇備用電源，其和上位機通訊可以實現(xiàn)多個控制器級聯(lián)監(jiān)控，對市電所不能到達的工業(yè)生產(chǎn)、野外作業(yè)以及樓宇備用電源控制有著重要意義。