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1 引言
   
    工廠低壓配電系統中，存在著大量的電機電氣回路，其中很大一部分負責機械動力的供給，如機械切割和煤炭等物體的傳送等。另外一些重要回路除了負責傳動外，還擔負著計量的功能，需要實時監控以防止故障的發生，而導致工廠的停產。如醫藥生產系統中計量泵的運行負責著藥品的比例配比，石化行業聚合反應中各化工成份合成配比的控制等。如果采用多功能電動機保護器實行保護功能，功能浪費嚴重，成本高，用戶很難接受。本文介紹一種PZ96-P/J功率監控器（見圖1），利用其I/O（開關量輸入/輸出）模塊、與接觸器配合實現磁力泵的保護功能，從而實現了計量系統的可靠運行。
                                                    

2產品設計 
                                                                       
                                                                                圖1  PZ96-P/J功率監控器
    2.1 CS5463芯片介紹
       
    CS5463是一個包含兩個Δ∑模-數轉換（ADC）、高速電能計量功能和一個SPI串行接口的高度集成的Δ∑模-數轉換器，見圖2。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS用于研制開發單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系統校準功能。

 圖2 CS5463芯片

    2.2 監控器的硬件電路設計

圖3 基于MSP430和CS5463的硬件測量框圖 

    a) 數碼管的動態顯示設計  
   
    將需要顯示的數字通過查表譯碼輸出給74HC595，通過595的鎖存功能將字形鎖存，而P5.0～P5.3則構成選通信號。
用MSP430內部的TA定時器產生一個1mS的定時中斷，在中斷程序中刷新數碼管的顯示，以實現動態顯示。
   
    b) 鍵盤控制和LED顯示電路設計
   
    由MSP430的P1口的P1.0～P1.3構成鍵盤控制電路，其原理如圖3所示。由于本系統要求有8種狀態顯示，故需要使用8個發光LED來表示當前程序運行的不同狀態，而MSP430微控制器具有豐富的I/O口資源，因此不需要再額外增加譯碼芯片和軟件開銷。
   
    c) 執行電路
   
    通過開關量的輸入來判斷外部接觸器的狀態和當故障出現后，由開關量輸出模塊來執行接觸器的脫扣，從而實現電動機的停車。
   
    2.3  軟件程序設計
   
    1) 根據校驗儀輸入的電流、電壓有效值計算出二次側滿功率：
      
    折算到一次側的功率時，應乘以CT變比值。   
       
    2) 根據CS5463測量到的無功功率和校驗得到的無功滿功率，計算得到實際有功功率。
        
    在開始采集前，初始化程序需將用戶設置參數從內部MSP430的FLASH中讀取到內存中，從而可以實現快速處理。其處理程序如下(見圖4)：

圖4 處理軟件流程

3  產品技術指標 
     
    PZ96-P/J磁力泵防干轉功率監控器產品主要技術指標見表1。

表1

4  工作原理
   
    PZ96-P/J功率監控器是以微處理器為基礎的數字負荷監控裝置，兼有測量和保護的功能。它測量并顯示泵用電動機的實際功率千瓦數（kW）或功率百分比(%)，并且可以動態修改CT變比以滿足不同電動機的要求。監控器可用于任何負載狀態下斷開電機。因此使泵避免低載或過載狀態運行。
   
    圖5為交流電機在接通電源后即刻顯示的一個典型功率曲線，可設定的啟動定時器（Ts）用來從保護周期中濾出啟動時電動機產生的大峰值功率消耗值。Ts的延時功能在功率消耗達5%以后開始啟動。當Ts終止時，則時限Tr1、Tr2才會動作。Tr用于避免發出報警，除非功率消耗要比在一段持續時間內的極限值高或低，以避免保護器的誤動作和頻繁動作而影響生產。

圖5  監控器功能曲線圖

5 典型應用
   
    在連接監控器之前，應檢查電動機的滿載電流。電機電流低于5安培時，則不需要電流互感器。如果滿載電流略大于5安培，而電機準備在遠低于滿載時運行，則也不需要電流互感器。當電機電流大于5安培時，則必須使用電流互感器。其典型應用見圖6。

圖6帶電流互感器的接線圖

6  功率上下限的設定
   
    使泵在正常流量下運轉，觀察監控器顯示器上的功率百分比(%)。調節泵的出口閥門，使流量在0至最大值之間變化。注意監控器顯示器上反映這些情況的功率百分比(%)，然后將流量調至正常值。將測定結果作圖，如圖7所示，確保能從圖中推導出監控器設定的上、下限(%)。上限設定值應在泵的正常流量和最大流量之間。下限設定值應在泵的正常流量和所推薦的最小安全流量之間。推薦的泵的最小安全流量可以從泵的性能數據表中獲得。

                               監控器(%)    

圖7    監控器上、下限設置 

     說明：
   
    % nor  =  正常流量下監控器顯示的功率百分比（% ）
   
    Q nor  =  泵的正常流量
   
    Q msf  =  泵的最小安全流量
   
    Q max  =  泵的最大流量
    - 監控器上、下限設置中允許的流量范圍

7 結束語
      
    將功率監控器應用于控制系統，從而極大的提高了磁力泵使用的安全性。實踐證明，該方案具有方法簡單可靠，易于實現，易于使用，極大的提高了系統運行的可靠性。

參考文獻
   
    [1] 魏小龍 MSP430系列單片機接口技術及系統設計，北京航空航天大學出版社，2002
   
    [2] 磁力泵防干轉功率監控器原理、調試及使用手冊 漢勝工業設備（上海）有限公司 2007
   
    [3] CIRRUS LOGIC CS5463 datasheet 
   
    [4] 電力電測數字儀表原理與應用指南   中國電力出版社

作者介紹：
   
    陸偉青（1979.4- ），男，上海大學，機械制造及自動化，主要研究方向為智能化控制。
   
    周中（1968.1- ），男，長春光學精密機械學院，電子應用系，學士，主要研究方向為智能配電及系統