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1 概述
電氣火災(zāi)是企業(yè)供電系統(tǒng)中危害最大的，最難以防范的事故之一，且監(jiān)測技術(shù)薄弱，被電力部門列為25項重大事故防范之首，因此，避免電氣火災(zāi)是保證企業(yè)供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重大課題。在各種電氣火災(zāi)中，電纜火災(zāi)造成的損失巨大，近20年來，僅我國火電廠發(fā)生電纜火災(zāi)140多次，70％以上的事故造成的損失非常嚴(yán)重，其中40％的事故造成特大損失。事故分析發(fā)現(xiàn)，約70％以上的電纜火災(zāi)發(fā)生在電纜接頭處。
在電力電纜線路中，電纜中間接頭是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中的最薄弱環(huán)節(jié)。由于制作工藝的限制，在經(jīng)過一段時間的大電流運(yùn)行之后，電纜壓接點(diǎn)處容易產(chǎn)生過熱、氧化，使接觸電阻增大，接頭溫度升高，最終導(dǎo)致絕緣層損壞，造成接頭崩燒。一旦發(fā)生這種情況，勢必造成供電中斷，帶來巨大損失。因此，為防范電纜火災(zāi)，本文把現(xiàn)場總線技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字化溫度傳感器結(jié)合起來，設(shè)計了這種基于CAN總線的數(shù)字化電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。
2 相關(guān)技術(shù)簡介
(1) CAN總線技術(shù)
CAN總線是比較常用的一種現(xiàn)場總線，它具有極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計，以及高速率、長距離傳輸性能，特別適合于干擾較嚴(yán)重的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互連。CAN 總線主要有如下特點(diǎn)：多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問；無破壞性地基于優(yōu)先權(quán)的仲裁；借助接收濾波的多地址幀傳送；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求；配置靈活；具有全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；錯誤檢測和出錯信號；發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭受破壞的幀可自動重新發(fā)送；暫時錯誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動脫離。
CAN 總線特有的多主傳送方式，可以使各個分機(jī)根據(jù)需要自主發(fā)送數(shù)據(jù)，無需主機(jī)不停地輪詢，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量，提高了傳輸效能。CAN總線的上述性能都已固化在CAN 總線處理芯片之中，使用起來極為方便。
(2) DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器
DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于構(gòu)成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理。每片DS1820 都有唯一的產(chǎn)品序號并可存入其ROM 中，以便在構(gòu)成大型溫度測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時掛接任意多個DS18B20芯片。DS18B20數(shù)字溫度傳感器將測量到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字存貯在傳感器內(nèi)部，同時可以將此值與內(nèi)部先用命令設(shè)定的上下限報警值進(jìn)行比較，如超出設(shè)定值則報警。從DS18B20讀出或?qū)懭胄畔H需要一根口線，該總線本身可向所掛接的DS18B20供電，而不需要額外電源。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
RS232口轉(zhuǎn)換成CAN總線接口的原理圖如圖1所示。圖1中82C251為CAN 總線的物理接口芯片。主要將CAN總線的指令按差分信號電平發(fā)送和接收進(jìn)來。TLP521為光電隔離器，SJA1000為CAN 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它將CAN 總線的各種協(xié)議功能用硬件完成，大大方便了軟件編程。MAX232和單片機(jī)89C51是將主計算機(jī)發(fā)出的串行指令變換成相應(yīng)的并行指令給SJA1000。通過89C51 中的緩存器，可大大提高通信效率。控制主機(jī)PC和通信轉(zhuǎn)換器構(gòu)成CAN總線數(shù)字化溫度測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制中心。該中心對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度和控制管理。網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)為CAN總線溫度測控器。
CAN 總線溫度測控器原理圖如圖2所示。圖2中SJA1000 和82C251與通信變換器原理一樣，將并行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為CAN總線通信協(xié)議和對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行傳輸。圖2中的KB開關(guān)組為測控器的地址設(shè)定開關(guān)，在圖中設(shè)計了兩路一線制測溫總線，每路用一只MOSFET 管提供電源供電，這樣每路上可以并聯(lián)上十幾只DS18B20數(shù)字溫度傳感器。一線制總線傳輸?shù)氖请娖叫盘枺虼烁鱾鞲衅鞯綔y控器之間的距離應(yīng)控制在30m范圍以內(nèi)，這樣才能使系統(tǒng)工作可靠。
圖1 RS232口轉(zhuǎn)換成CAN總線接口原理圖
圖2 CAN總線溫度測控器原理圖
測控器的工作過程為：當(dāng)控制主機(jī)需要讀取某電纜接頭溫度值時，則向CAN 總線發(fā)出帶有某點(diǎn)數(shù)字溫度傳感器唯一序號和所在CAN總線溫度測控器地址的讀取數(shù)據(jù)指令，控制主機(jī)可同時向多個節(jié)點(diǎn)測控器發(fā)出指令。各節(jié)測控器收到指令后，向下面的數(shù)字傳感器發(fā)出讀數(shù)指令，并接收返回溫度數(shù)據(jù)存貯在緩存區(qū)內(nèi)，然后啟動CAN 控制器的發(fā)送命令，此時CAN 通信控制芯片將自動向總線發(fā)送返回數(shù)據(jù)，之后不再需要單片機(jī)干預(yù)。但是要在發(fā)送完后檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送完成狀態(tài)位，以確定上次發(fā)送是否完成。如未完成則重新發(fā)送，若系統(tǒng)中有多個CAN測控節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則CAN測控器通過信息幀中的標(biāo)識符來進(jìn)行仲裁，標(biāo)識符數(shù)值最小的具有最高的總線使用權(quán)。CAN通信控制器檢測到總線上有與自己接收標(biāo)識符相同的數(shù)據(jù)時會自動接收，并存入接收緩沖區(qū)，同時向控制主機(jī)發(fā)出接收中斷并接收數(shù)據(jù)。接收到的溫度數(shù)據(jù)由主控制機(jī)進(jìn)行處理。此外在圖2中給出了J1 、J2兩路溫度控制開關(guān)量輸出觸點(diǎn)，控制主機(jī)可以用指令來對被測溫度進(jìn)行升降控制。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件可以分為上位機(jī)控制軟件、通信轉(zhuǎn)換控制軟件和溫度信號測控器軟件三大部分。
上位機(jī)控制軟件，是用高級語言編程，主要完成主機(jī)工作畫面編程、數(shù)據(jù)分心處理、各檢測曲線生成、檢測數(shù)據(jù)庫生成、根據(jù)電纜型號確定控制和參數(shù)調(diào)整、表格顯示和打印、超溫報警、通信接口初始化和通信協(xié)議編程等。通信轉(zhuǎn)換控制軟件主要完成上位機(jī)接口與CAN總線接口的轉(zhuǎn)換協(xié)議，程序流程圖如圖3所示。溫度信號檢測控制程序主要完成CAN總線信號通信、溫度檢測與控制。流程圖如圖4所示。
圖3 通信轉(zhuǎn)換控制流程圖 圖4 溫度信號檢測控制程序流程圖
5 結(jié)語
本文介紹的基于CAN總線的數(shù)字化電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，性能良好，在比較惡劣的工作環(huán)境中可以穩(wěn)定可靠地工作。由于具有超溫預(yù)警功能，可以防患于未然。與用RS485總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)相比，故障率大幅減少。本設(shè)計充分體現(xiàn)了CAN總線的直接數(shù)據(jù)交換的靈活性高、可靠、長距離傳輸以及工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互連的特點(diǎn)，是現(xiàn)場總線在工業(yè)自動控制中應(yīng)用的典型事例。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號