基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器设计与应用
基于STM32F10链式输送机3R8T6的数字式量度继电器设计与应用
景沈铁矿石破碎机石料破碎机锋1小型振动电机 姚冲击式破碎机 波刮板输送2 制砂破碎机汤建军反击破碎机2
（1中煤西安设计工程有限责任公司 陕立轴式破碎机西西安 710054）
（2上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉反击锤式破碎机定 201801）
摘 要：数字式量度继电器具有测量精确、设定简单、保护功能多、速度快等优点，是传统的电磁、静态继电器理想的替代产品。本文详细介绍了过滤筛分机基于STM32F103R8T6的数字式量度继电器的总体设计方案。该产品能针对不同的对象在实际使用中遇到的多种故障进行保护，使被保护的对象在故障状态下不会产生损坏，提高可靠性，减少损失。
关键字：数字式、伸缩式皮带机量度继电器、保护
Design and Application of回转筛 Digital Measurement Relay Based STM32F103R8T6
Jin电磁电机振动给料机g Shenfeng自动切管落料机1 &td75型胶带输送机nbsp; Yao bo 2 Tang Jianjun2
(XianEngineeringDesignCo.Ltd,Chinacoal, Xian Shanxi 710054)
(Shanghai Acrel Co.，Ltd., Jiading Shanghai 201801)
Abstract: The digital measurement relay which has many merit, such as exactitude measurement setting simple, many protect function, speed quick and soShielding="" src="http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/18/1357575i.jpg">
图1 硬件电路框图
1.1 主控CPU
本量度继电器的CPU采用ST公司的基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。
1.2 电源
电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分，该继电器采用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路隔离电压输出，满足多种功能对不同供电电压的要求。输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
1.3 信号采集电路
信号采集电路采用互感器隔离输入，将电流、电压等电量信号进行隔离，提高系统的安全性和可靠性。采样信号经放大电路放大后进行A/D转换。图2。
图2 信号采集电路
1.4 人机交互单元
人机交互单元采用LED显示和按键输入，系统采用单排四位LED数码管显示各种信息。用户可根据实际需要进行设置。在编程状态下显示菜单及参数。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路使用一片74HC595加三极管构成。
1.5 RS485通讯接口
通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图3。
图3 通讯电路原理图
1.6 继电器输出接口
继电器输出接口（图4）是动作的执行机构，当出现故障时，继电器便会产生动作，发出报警或脱扣信号。
图4 继电器输出原理图
2 软件设计
由于本量度继电器采用数字电路，核心元件采用的是32位单片机，运算速度快（时钟频率72MHz），保护算法都由软件实现，因此，由同一电参量引申而出的保护功能可集成于一体（如测量三相电流可实现过载、欠载、不平衡、断相、相序等多种保护），不像静态继电器那样，不同的保护功能需要不同的模拟电路来实现，导致单个静态继电器往往只有一种保护功能。
2.1 程序设计
本继电器的软件设计主要包括计算、保护、显示、按键、通讯等各种功能子程序。其中计算子程序主要用于进行信号的采集和运算，实时测量保护对象的电参量；保护子程序主要集成有各种保护算法，将测量得到的各种参数与预先设定的值来进行对比，来确定是否有故障出现，及时进行保护；显示、按键子程序用于人机交互；通讯子程序则用于将各种参量通过通讯接口远传给后台控制系统。
由于程序内容较多，现给出主程序流程（图5）和保护子程序流程图（图6）。
图5 主程序流程图
图6 保护子程序流程图
2.2 过采样
在本产品设计时，便定位于既可作为保护继电器使用，又可作为低压电测仪表使用，因此要求本产品的测量精度要高，但出于成本上的考虑，采用主控芯片STM32F103R8T6内部自带的12位AD，为实现高精度的测量，需要在采样上使用过采样的技术。根据奈奎斯特定理可得，每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样：fos=4w×fs 。其中，w是希望增加的分辨率位数，fs是初始采样频率要求，fos是过采样频率。根据此公式，在采样时将采样频率提高256倍，即将分辨率位数提高4位，达到了16位的分辨率。采用此方法后，本产品的测量精度达到0.5级，完全可以满足作为测量型仪表的要求。由于CPU的速度很快，因此不会因为采用过采样后，采样点和运算量的增加而导致保护速度不够。
3 性能测试
3.1 测量精度的测试（电流型）
图7
试验装置由图7所示，信号发生源采用深圳科陆公司的RTU检定装置CL301V2-R，精度等级0.05。由CL301V2-R输出三相交流电流来测试ASJ的测量精度，测试结果见表1。
表1
DK输出值 ASJ显示值 0.100A 0.099A 1.000A 0.999A 5.000A 4.999A 10.000A 9.999A 由GB/T22264.1-200《安装式数字显示电测量仪表》第1部分：定义和通用要求中5.2 基本误差的计算方法，结合表1测量数据可得，精度等级能够满足0.5级。
计算公式如下：
仪表的基本误差不应超过公式（1）表示的测量值的绝对误差△。
式中： Ux－被测量的读数值；
Um－被测量的满度值；
a－与读数值有关的误差系数；
b－与满度值有关的误差系数；
公式（1）中应满足如下关系：a≥4b
3.2 动作误差测试（电流型）
继电器的动作误差是一项重要的指标，因此，需要使用专用的继保测试仪来对ASJ的动作时间误差进行测试。
这里使用“ZS-740微机继电保护校验仪”来测试ASJ的动作误差时间，测试结果见表2。
表2
功能 设定值 是否准确动作 动作时间ms 域值 延时时间s 起动超时 ---- 2.0 √ 2036 欠载报警 70％ 2.0 √ 2041 欠载脱扣 50％ 5.0 √ 5049 阻塞报警 200％ 1.0 √ 1043 阻塞脱扣 250％ 3.0 √ 3037 不平衡报警 20％ 10.0 √ 10033 不平衡脱扣 30％ 5.0 √ 5042 断相报警 ---- 0.5 √ 545 断相脱扣 ---- 15.0 √ 15036 速断 ---- ---- √ 47 其中各项功能的延时时间是可任意设定的，报警和脱扣是2个独立的继电器输出。由上图可以看出，动作时间的误差都在±50ms以内。4 产品特点
ASJ系列数字式量度继电器在结构上采用DIN35mm导轨安装式和96mm×48mm外型嵌入安装式两种方式。该为数字式继电器，实时采样三相交流电量、采用真有效值的计算方法，在较宽的频率范围内实现了较高精度的测量。集成有多种保护功能，仅需简单选择即可实现保护的投入或退出、报警或跳闸；精度高、功耗小、动作快、返回系数高、无抖动。 本产品集低压电测仪表功能和量度继电器功能于一体，是传统的静态继电器的理想替代方案。产品符合GB/T 14598量度继电器的相关标准和GB/T 22264安装式数字显示电测量仪表中的相关标准。
按功能可分为电流、电压、频率等多种类型，主要技术指标见表3。
表3
类型 型号 主要功能 通用指标 电流 ASJ10-AI3/C 欠载、阻塞（定时限）、不平衡、断相、过载（反时限）、速断 污染等级2级防护等级IP54
安装类别III级 电压 ASJ10-AV3/C 过压、欠压、不平衡 频率 ASJ10-F/C 过频、欠频
5 应用案例
ASJ系列量度继电器因其具有很宽的频率测量范围(20Hz～70Hz内都能准确测量)，较高的测量精度及多种保护功能集于一体的特点，已经广泛应用于多种场合。
图8为本产品应用于某柴油发电机上用于对柴油发电机的欠、过压进行保护的图。由于柴油发电机的输出电压与其转速有关，因此要求测量柴油发电机输出电压的装置具有较宽的频率测量范围，在本应用案例中，柴油发电机的欠压点为230VAC（对应23Hz），额定460VAC（对应50Hz），过压点530VAC（对应55Hz），而采用的ASJ10-AV3电压型量度继电器的测量频率范围为20Hz～70Hz，在此频率范围内，能够准确测量出电压值，完全能够满足此场合的使用要求。其工作流程为：ASJ10-AV3测量柴油发电机组的输出电压，并将此电压与预先设定的欠压、过压值进行比较，一旦出现测量值超出限值，则进入故障延时，延时时间到但故障状态未解除则报警或脱扣继电器动作，发出告警信号或直接停掉柴油发电机，从而起到保护柴油发电机稳定运行的作用。
图8 电压型应用图
图9为本产品应用于电动机上用于对电动机运行过程中出现的各种故障进行保护的图。在电动机运行中，常出现的故障主要有过载和断相，而对过载的保护又分为定时限、反时限、速断等多种。在本应用案例中，ASJ10-AI3能够提供欠载、过载（定时限、反时限、速断）、不平衡、断相等多种保护功能。其工作流程为：ASJ10-AI3测量电动机供电电路中的电流值，并将此电流值与预先设定的值进行比较，一旦出现测量值超出限值，则进入故障延时，延时时间到但故障状态未解除则报警或脱扣继电器动作，发出告警信号或断开接触器KM使电动机停止运行，从而起到保护电动机的作用。
图9 电流型应用图
6 结语
ASJ系列数字式量度继电器采用先进的设计方案，能够针对不同的使用场合提供多种保护方式，产品稳定可靠，是静态模拟继电器的理想替代产品。
文章来源于：《现代建筑电气》2010年11期。
参考文献
[1] 上海安科瑞电气有限公司，ASJ系列量度继电器选型手册，2009。
[2] 中国电力出版社，电工与电子技术，1999。
[3] 任志程，周中，电力电测数字仪表原理与应用指南，中国电力出版社，2007
作者简介
姓名：姚波
性别：男
出生年月：81年3月
技术职务：助理工程师
工作单位：上海安科瑞电气股份有限公司
研究方向：低压电测仪表
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