適用于電力計(jì)量的制造業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

　　摘 要：面對(duì)傳統(tǒng)基于IC卡遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表監(jiān)控系統(tǒng)、低壓電力計(jì)量控制系統(tǒng)受到諧波干擾而出現(xiàn)的控制效果差的問題，提出了適用于電力計(jì)量的制造業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究。根據(jù)系統(tǒng)總體框架， 設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)。使用帶有20針封裝的P87LPC76芯片MCS-51系列單片機(jī)，具有高集成度和低 成本性能。選擇ARM966E-S系列主控制器，通過JTAG, ICE (輸入驗(yàn)證裝置)可以插入實(shí)驗(yàn) 板，調(diào)制單片機(jī)。設(shè)計(jì)電力計(jì)量測(cè)量電路，顯示兩相步進(jìn)電機(jī)工作結(jié)果。根據(jù)電力計(jì)量自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件層次，計(jì)算諧波分量之和，剔除諧波干擾。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)電壓、 電流計(jì)量結(jié)果與實(shí)際值基本一致，具有良好控制效果。

　　關(guān)鍵詞：電力計(jì)量;制造業(yè);自動(dòng)化;控制

　　0 引言

　　抄表監(jiān)控系統(tǒng)中的電子式電能表已向多功能方向發(fā) 展，就抄表技術(shù)而言，從最初的手工操作發(fā)展到現(xiàn)在廣 泛采用的自動(dòng)抄表，并從本地抄表發(fā)展到遠(yuǎn)程抄表，延 伸自動(dòng)抄表方向。七八十年代，歐美各國(guó)紛紛推出了手 持式現(xiàn)場(chǎng)抄表、移動(dòng)無(wú)線抄表、預(yù)付費(fèi)用電監(jiān)控、遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表等技術(shù)[1]。

　　電度表制造的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要 是利用低壓配電線、電話網(wǎng)、收音機(jī)、RS-485或現(xiàn)場(chǎng) 總線等通訊媒體，結(jié)合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)用戶的能源 數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，執(zhí)行相關(guān)智能處理。以往所使用的 是一種基于IC卡的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表監(jiān)控系統(tǒng)，它通過微電 子芯片制成卡片。

　　以通訊接口為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的電能計(jì)量系 統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能信息的快速采集，但易受諧波干擾， 控制效果差。采用低電壓計(jì)量控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了低 電壓線路覆蓋范圍廣、不需重新布線的優(yōu)點(diǎn)。為此，提 出了適用于電力計(jì)量的制造業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究。根 據(jù)用戶的使用情況在電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，精確度高，功能 齊全[2]。還可根據(jù)個(gè)人用途進(jìn)行收費(fèi)，方便了以太網(wǎng)接 口的輸出，形成了監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)分為兩層，由監(jiān)控機(jī)和儀表組成。 Monitor用于監(jiān)視和存儲(chǔ)背景數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)以電表為核心，安裝一臺(tái)電表，負(fù)責(zé)電能計(jì)量及各種功能的實(shí)現(xiàn)， 顯示器和功率表通過以太網(wǎng)相連。

　　針對(duì)服務(wù)器登錄能力的問題，設(shè)置了3個(gè)監(jiān)控機(jī)， 一個(gè)用于后臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，一個(gè)用于監(jiān)控，一個(gè)用于保 留。電能表量度N個(gè)用戶的單獨(dú)用電。該項(xiàng)目主要進(jìn)行 電能表的設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)接口模塊的設(shè)計(jì)，電能表還有其 他功能：例如，可以查詢用戶的用電量，剩余用電量， 提前還款不足報(bào)警，非法(即電力設(shè)備、學(xué)校不允許使 用)報(bào)警，非法關(guān)閉功能，比如延遲顯示電源故障、時(shí) 間和日期。利用以太網(wǎng)，監(jiān)控機(jī)能實(shí)時(shí)記錄用戶用電情 況，并對(duì)用戶用電信息進(jìn)行監(jiān)控、記錄等。為解決多用戶共用照明問題，提出了一種基于N+1 用戶充電的電力計(jì)量方案。而在長(zhǎng)期不使用的情況下， 支路電流檢測(cè)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)省電力。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　功耗測(cè)量電路主要包括單片機(jī)的基本電路，識(shí)別電路，斷電控制電路，功率參數(shù)采集電路，以太網(wǎng)接口電路及其他輔助電路。

　　2.1 MCS-51單片機(jī)

　　P87LPC76是一個(gè)新的單片機(jī)芯片，它具有20針 封裝，與MCS-51系列80C51單片機(jī)指令系統(tǒng)相兼容， 適合于要求高集成度和低成本的應(yīng)用[3]。加速處理器結(jié)構(gòu)為80C51，指令執(zhí)行速度兩倍于 標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī);4K字節(jié)OTP程序存儲(chǔ)器，128字節(jié) RAM，32字節(jié)用戶碼區(qū)，可用于存儲(chǔ)序列碼和設(shè)置參 數(shù);16位定時(shí)/計(jì)數(shù)由兩個(gè)精確的模擬比較器組成，可 通過外部RC器件實(shí)現(xiàn)雙向A/D轉(zhuǎn)換;全雙工通用異步收 發(fā)通信接口;可編程I/O端口輸出模式;各口均有20 mA 的驅(qū)動(dòng)能力;最少15個(gè)輸入輸出端口[13]。在選擇片上振 蕩和片上復(fù)位時(shí)，I/O端口的數(shù)目可達(dá)18個(gè)[4]。

　　2.2 微控制器設(shè)計(jì)

　　從電能計(jì)量的實(shí)際情況看，微控制誤差：1)變壓 器誤差;2) A/D轉(zhuǎn)換誤差;3)算法誤差;4)單片機(jī) 計(jì)算的舍入誤差;5)未知誤差[5]。為留出更大的誤差 空間，應(yīng)綜合考慮設(shè)備成本、設(shè)備功耗等因素。80C51 單片機(jī)采用ARM966E-S系列主控制器，這種芯片處理 速度極快，資源豐富。80C51具有用戶調(diào)試界面，包括 6個(gè)串口的JTAG接口。通過JTAG，ICE(輸入驗(yàn)證裝 置——可以插入實(shí)驗(yàn)板，并通過調(diào)試軟件在80C51上調(diào) 試。該JTAG允許中心在連接調(diào)試軟件的控制下開始和 停止，使用者可以顯示和修改注冊(cè)表，儲(chǔ)存內(nèi)容，設(shè)置 斷點(diǎn)和查看點(diǎn)。

　　2.3 電力計(jì)量與控制模塊

　　作為電能測(cè)量的先決條件之一，功率參數(shù)的測(cè)量非 常重要，它直接影響到器件的測(cè)量水平。在采樣時(shí)使用 了高精度的電壓互感器和電流互感器，使器件的測(cè)量電 平達(dá)到0.5。因?yàn)槭覂?nèi)電流較小，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓 設(shè)計(jì)為5V，所以所選擇的變壓器參數(shù)如下： 1)采用電壓型輸出變壓器。 2)變壓器輸入有效電壓為220V，輸出峰值不超過 5V。 3)該變流器輸入有效值為5A，輸出峰值不超過 5V。 由可自由伸縮的采集控制模塊構(gòu)成多路功率測(cè)控 系統(tǒng)，每一個(gè)模塊包括1～16個(gè)自由擴(kuò)展的采集控制電 路，MCU主控電路通過檢測(cè)各通道的功率信號(hào)，計(jì)算 出開關(guān)控制指令，發(fā)送到繼電器控制電路。通過RS485 總線，單片機(jī)主控單元將相關(guān)數(shù)據(jù)和控制信息傳送給上 位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)出的相關(guān)數(shù)據(jù)和指令，實(shí)現(xiàn)了 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。

　　2.4 電力計(jì)量測(cè)量電路

　　在系統(tǒng)前端，采用了模擬器件P87LPC76，功率測(cè) 量芯片作為功率采集控制器。電能計(jì)量芯片P87LPC76 是一種適用于單次電能計(jì)量的芯片。電流和電壓由16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然 后用數(shù)字倍增器計(jì)算功率。其工作結(jié)構(gòu)由數(shù)字/頻域轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)換為高低標(biāo)準(zhǔn)脈沖CF，F(xiàn)1，F(xiàn)2。芯片引腳 CF以 高頻模式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于儀器檢測(cè)或與單片 機(jī)接口。F1、F2芯片以低頻模式輸出有功功率的均值， 可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電儀表，用兩相步進(jìn)電機(jī)顯示有功功率。

　　3 軟件功能設(shè)計(jì)

　　3.1 軟件層次設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用了3-layer設(shè)計(jì)模式，視圖層面向圖形交互處理，在服務(wù)器平臺(tái)上部署了業(yè)務(wù)邏輯層 和數(shù)據(jù)管理層，提供支持服務(wù)和管理系統(tǒng)的核心功能機(jī) 制。1)視圖生成圖層 視圖生成圖層依據(jù)各個(gè)業(yè)務(wù)處理模塊，將計(jì)算結(jié)果 生成一個(gè)面向業(yè)務(wù)的交互內(nèi)容。 2)商業(yè)過程管理 此模塊位于業(yè)務(wù)邏輯層的基層，實(shí)現(xiàn)了一種通用的 服務(wù)機(jī)制來(lái)調(diào)用和協(xié)調(diào)各個(gè)業(yè)務(wù)處理模塊。 3)商業(yè)邏輯層 (1)抄表部信息管理模塊 以靜態(tài)類型抄表業(yè)務(wù)信息為主，主要包括表段信 息、維護(hù)信息和調(diào)度信息。 (2)抄表管理模塊 在處理動(dòng)態(tài)抄表信息過程中，應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)管理子模塊 和抄表子模塊展開分析。 (3)測(cè)控設(shè)備管理模塊是針對(duì)測(cè)控設(shè)備運(yùn)行監(jiān) 測(cè)、故障維修和運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等任務(wù)而設(shè)計(jì)的。 將軟件復(fù)用和信息封裝的原則劃分為相對(duì)獨(dú)立的對(duì) 象分類，將相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理程序封裝在系統(tǒng)內(nèi)部。 涉及外部接口的對(duì)象設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，得到了一種模 塊化程度高、可維護(hù)性好、功能可擴(kuò)展性強(qiáng)的軟件組合 架構(gòu)[6]。

　　3.2 諧波干擾剔除

　　在實(shí)際應(yīng)用過程中，所有電壓和電流波形都包含諧 波，因此，諧波干擾剔除可用傅立葉變換方式，將瞬時(shí)電壓和電流轉(zhuǎn)換為諧波分量，由此計(jì)算諧波分量之和。

　　4 仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證適用于電力計(jì)量的制造業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng) 研究合理性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

　　4.1 集成開發(fā)環(huán)境

　　在ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的編程和調(diào) 試，所謂的ARM開發(fā)Suite，是由ARM公司推出的新 一代綜合開發(fā)工具。目前ADS的成熟版為1.2，替代了 ADS的早期1.1和ADS1，Windows95和windowsnt4操作 系統(tǒng)都可以安裝。

　　4.2 系統(tǒng)裝置實(shí)驗(yàn)運(yùn)行 針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，對(duì)儀器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 安培計(jì)采用0.2級(jí)儀器。

　　電子測(cè)量論文投稿刊物：《電測(cè)與儀表》(月刊)創(chuàng)刊于1964年，由中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)電磁測(cè)量信息處理儀器分會(huì)主辦。是我國(guó)唯一的電工儀器儀表專業(yè)核心科技期刊，主要報(bào)道電磁參數(shù)的測(cè)量方法，測(cè)量?jī)x器、儀表、測(cè)試系統(tǒng)以及非電量測(cè)量的電測(cè)技術(shù)。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　適用于電力計(jì)量的制造業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在部署于當(dāng)前海量電力計(jì)量信息基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了電 量采集集成化管理。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，該系統(tǒng)電 力計(jì)量結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，保障了系統(tǒng)在未 來(lái)面對(duì)不同計(jì)量裝置擴(kuò)展情況下比原始計(jì)量裝置更靈活 的擴(kuò)展性能。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：王 桐

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