西门子模块6ES7331-7PF11-0AB0详细说明
1 引言
随着社会的发展,集中供热以其节约能源、减少污染、方便人民群众生活的综合性经济、环境和社会效益,的优势逐渐取代了小锅炉,特别是20世纪90年代以来,在全国各地政府的支持下得到了飞速的发展,在城市基础设施中发挥越来越大的作用,随着管网范围的延伸,管网检查井的数量也成倍的增长,在供热管网的检查井中,一般安装有阀门、减压器、补偿器等管件及其保温层。随着供热介质温度的变化,管道就会发生膨胀和收缩,从而产生应力,该应力一般靠补偿器的伸缩来释放,由于供热介质温度变化的比较频繁造成管道一直处于收缩伸长的变化中,补偿器是热网的易损部件,检查井中的阀门由于长期处在潮湿环境中,极易被腐蚀发生泄露的机会也很大,如果检查井中的部件发生长时间泄露无论对居民小区的供暖还是对一级管网的正常输热都会产生很大的影响,甚至会损坏检查井的建筑结构,对检查井内部进行泄露检测并及时报警是非常有必要的[1]。
2 检测原理
图1 检查井内部结构图
一般检查井内部结构图如图1,容易发生损坏的部位就是图中所标的1~4四个弯头,它们所承受的变形应力大高压水对他们的冲击也是大的[2]。在这四个部位各安装两个温度传感器,检测保温材料内外的温度,根据保温材料的热传导特性内外的温差如果过于接近说明供热介质已经渗透保温层。在检查井的下端安装液位开关,如果是其他部位泄露当水位超过液位开关报警线时表示检查井内已经积水应该进行检查。对于野外检查井井盖和阀门经常失窃,给供热网络的正常运行造成极大威胁。在井盖安装防盗开关,在未经备案的情况下井盖被打开就可认为被强制打开。单片机通过GPRS模块向监控中
心发送泄露或者井盖被盗信息,监控人员就可以根据信息的内容进行抢修。
3硬件设计
系统以微芯公司的超低功耗单片机PIC24F16KA102为控制芯片,在仅开启RTCC功能将所有IO口设置成高阻状态时实测功耗小于300nW,实现整个系统在锂电池供电的情况下低功耗长时间运行。系统的其他部分在不工作时几乎不耗电,在待机状态下整个系统的功耗都会小于300nW。测温元件采用DS18B20,系统总体框图如图2。
图2 系统总体框图
3.1 检测部分电路设计
检测部分包括液位开关、防盗开关、测温系统三部分,液位开关和防盗开关分别与单片机的外部中断管脚,DS18B20连接到单片机的普通IO口,电路原理图如图3[3]。单片机可以由外部中断1、2从休眠状态中唤醒,表示液位开关闭合或者防盗开关闭合。而单片机还可以利用RTCC功能定时唤醒检测温度传感器的温度判断管道是否发生泄露[4]。
图3 检测部分电路原理图
3.2 GPRS模块部分电路原理图
图4 单片机与GPRS模块接口
在系统检测到泄露之后,需将泄露信息传输到远程服务器,系统利用GPRS模块通过GPRS网络将编码的泄露信息传入远程监测服务器中,实现阀井的实时监测。模块选用的是Quecbbb-M10,在模块中自带TCP/IP协议,兼容AT指令集,可由外部管脚控制模块的开关,正常工作时功耗低,延长锂电池的使用时间。单片机与GPRS模块的接口电路图如图4。
4 软件设计
图5 系统程序流程图
系统软件程序主要由RTCC定时程序、温度检测程序、外部中断唤醒程序、数据打包发送程序组成,程序进行初始化后对外部设备进行巡检,确认所有设备工作正常且没有泄露后就启动RTCC定时并进入待机状态以节省电池电量,一旦液位开关或者防盗开关被触发,单片机就被唤醒,启动GPRS模块将信息打包后发送到服务器端,在没有外部中断触发的情况时,单片机由RTCC定时器定时唤醒对外不检测设备进行巡检,如果发现泄漏情况同样启动GPRS模块对信息打包发送,程序流程图如图5。
表1 数据包格式
在打包发送数据时,为让服务器端能正确的解读出数据包包含的泄露信息、发生泄漏的检查井编号必须对数据格式进行规定,是包头,是手机号码用来区分井号,依次是泄露信息、校验数据和包尾。具体格式如表1。
图6 上位机报警界面
图7 设备在线监测界面
服务器端接收到数据后,按照约定的格式进行解包,进行声光报警,这样就实现了阀井泄露的实时监测。图6、7就是上位机检测软件报警和设备在线情况的界面。
5 结束语
本系统利用超低功耗单片机PIC24F16KA102为主控芯片,利用温度传感器、液位开关和防盗开关对供热检查井的泄露情况进行及时的检测,对恶意打开井盖的情况进行检测,并可以将信息及时传输到远程服务器,实现检查井的实时监测,对检查井泄露只能靠事故发生后造成的影响进行判断的方法提供的一个全新的解决方案,大化的减小了经济损失,为提高管网的自动化检测水平发挥了重要作用,本系统已经在现场进行应用,检测和防盗效果非常好,具有很大的发展前景
根据国标GB14048.6-1998（等同于IEC947-4-2：1995）《低压开关设备和控制设备 接触器和电动机起动器 第2 部分：交流半导体电动机控制器和起动器》的规定，交流半导体电动机控制器（AC Semiconductor motor controller）是为交流电动机提供起动功能和截止状态的半导体开关电器。它有三种型式。型式1 称为半导体电动机控制器（Semiconductor motor controller），其起动功能可以包括制造厂规定的任何一种起动方法，其控制功能包括对电动机的操纵、可控加速、运行或可控减速，也可以提供全电压运行。型式2 称为软起动半导体电动机控制器（Semiconductor soft-start motor controller），其起动功能于控制电压和（或）电流上升，也可包括可控加速，附加的控制功能于提供全电压运行。也就是说型式2 的控制器没有电动机运行和停车时的控制功能。型式3 为直接半导体电动机控制器（Semiconductor direct on line motor controller），其起动功能于全电压直接起动，电压的上升不受控制，附加的控制功能于提供全电压运行，实际上它是一种半导体做的接触器。在交流半导体电动机控制器上配备适当的过载保护装置，就称为半导体电动机起动器（又称为固态软起动器）。目前所有这些半导体电动机控制器都是基于可控硅做成的交流调压电路。
对于固态软起动器来说，实现对电动机的起动控制是其主要功能。固态电动机软起动器既然是建立在晶闸管交流调压电路基础上，采用线性电压斜坡来起动电动机自然是其早的选择。图1 示出了电压斜坡起动方式。它有一个初始起动电压Uini，电压按一定斜率上升到额定电压Urat，电压上升的斜率由斜坡时间tramp 调节。软起动器的输出电压只是按照给定电压的增加而增加，它并没有电压闭环控制，实际的输出电压还会随电网电压波动。
初始电压Uini 应当由能让电机开始转动的转矩所需电压来确定。斜坡时间tramp 则根据电动机和负载的转动惯量以及所期望的加速时间来确定。
有些负载例如带式运输机等在静止情况下会有比较大的阻力矩，必须要有很大的驱动力矩来克服它，使电动机加速。而当带式运输机开始转动以后，静摩擦力变为动摩擦力，所需要驱动力矩相应变小。为了适应这种情况，在线性电压斜坡的开始阶段，可以叠加一个突跳脉冲起动电压Ukic ，其值为0.3～0.9 额定电压可调。它的持续时间tkic很短，通常为0.1～10 秒可调。
线性电压斜坡起动的缺点在于电流是开环控制的（但具有过电流保护功能），由于电流不仅仅由电压确定，还取决于电动机当时的转速和电路参数，在电源电压波动时，或者电动机起动受阻时，或者电路参数变化时，都会引起电流超过期望值，引起较大的电网压降和其他问题。
为了克服电压斜坡起动方式的缺点，第二代的固态软起动器不采用电流开环的电压斜坡控制，而是采用电流闭环控制的电流斜坡起动方式。
第二代固态软起动器采用电流斜坡起动方式具有如图2 的起动电流波形。Iini为初始起动电流，它由能驱动电机从静止状态开始旋转所需力矩决定。Imax则是选定的大起动电流。
初始起动电流Iini ：50%～400% FLA 可调（FLA 是电动机全电流）；
大起动电流Imax ：～600% FLA 可调；
斜坡时间tramp ：0～120sec 可调；
脉冲突跳电流IKic ：～600% FLA 可调；
脉冲突跳时间tKic ：0.1～10 sec 可调。
有些性能较好的固态软起动器还具有二个起动电流斜坡可以选择，每一个电流斜坡都如图3 所示均带有脉冲突跳，其参数可以选择。使用一个控制继电器接点将控制电压施加到相应的控制端上，固态软起动器就可以按斜坡2 来继续起动电动机。
例如在负载轻时按斜坡1 起动，在负载较重时按斜坡2 起动。也可以用一台软起动器起动二台电动机，分别按斜坡1 起动台电动机，用斜坡2 起动第二台电动机。
当电动机起动到进入其正常工作区时其效率急剧增大，另一方面这时也不需要加速负载，电动机电流自然会下降。对于采用电流闭环控制的系统来说，PI 调节器会继续强制输出电流跟随给定的电流值，结果调节器快速增大输出电压，以便增加电动机的电流。由于输出电压的快速增加和电动机效率的突然增大，使得输出转矩在电动机达到全速时也迅速增大，从而造成电动机输出转矩的过冲（电压斜坡控制同样也存在转矩过冲）。这种转矩过冲有时会引起传动系统的振荡等不良作用。
过去几年有一些公司开发出几种方法来减少这种转矩浪涌。由于固态软起动器要适合各种电动机（例如按NEMA 标准，有A、B、C、D 型电机）和各种负载（例如各种风机、水泵、压缩机、机床、皮带运输机等等），要采用一种简单的方法实现平滑而又**的转矩控制是困难的。美国Benshaw 公司开发了一种控制电动机转矩的程序，它被命名为Tru Torque。其基本原理简述如下：
电动机的电磁转矩 。 ，式中PEM为电动机的电磁功率，Ω0为旋转磁场的角速度 。
三相异步电动机的输入功率P1为：P1＝3U1 I 1cos 1
电磁功率 PEM ＝ηP1 ， η 为电动机的效率。
图4 是在上述方程式基础上建立的控制方框图。
图4
Tru Torque 转矩控制软件是根据通过电流互感器检测的三相输出电流和功率因数、根据可控硅（SCR）的触发角计算出的输出电压，以及计算的电机效率，可以计算出电机实际转矩（实际功率），作为反馈信号，与转矩给定值比较后经PID 调节器对输出电压进行控制。
在图5 和图6 中分别示出了采用电流闭环控制和转矩闭环控制时电机的转矩和速度随时间变化的波形（请注意图中的转矩方向是向下为增大，而转速方向是向上为增大）。从中可以看出采用转矩闭环控制的软起动装置，在电动机达到额定转速附近时，没有转矩过冲的情况，而采用电流闭环控制则有一个转矩尖峰。
图5
图6
固态软起动器装置在起动控制技术上经历了三个阶段：从电流开环的电压斜坡控制阶段，电流闭环的电流斜坡控制阶段，到新的转矩闭环控制阶段。