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柴油发电机组控制柜模块的工作原理 |
柴油发电机组主控制器是发电机组的控制装置，可实现对发电机组物理量的检测并显示，发动机的启动、运行、（正常、紧急）停机等控制性操作，供电及负载检测与切换，发电机组保护，故障诊测，远程通信遥测、遥控等。主控制器增强了发电机组运行的可靠性以及人机交流的方便性。本文以众智HGM6320主控制器为例，主要讲述该型控制柜模块的工作原理、功能、参数设置以及使用方法。
一、控制系统特点
众智HGM6320主控制器的主要功能是用于发电机组自动化及监控系统，实现发电机组的自动开机/停机、数据测量、报警保护及“三遥功能”。控制器采用大屏幕液晶（LCD）显示，中/英文可选择界面操作，操作简单，运行可靠，其性能和特点如下所述。
① 以微处理器为核心，大屏幕液晶带背光、可选中/英文显示，轻触按钮操作。
② 精确测量和显示功能：实现柴油发电机组及市电的电参量及水温、油压、油位等实时监测。
③ 控制保护功能：实现柴油发电机组自动开机/停机、负荷切换及报警保护功能。
④ 参数设置功能：允许用户对其参数进行更改设定，同时记忆在内部FLASH存储器内，在系统掉电时也不会丢失。
⑤ 内置速度/频率检测环节，可精确地判断启动成功、额定运行、超速状态。
⑥ 可循环保存99组历史记录，并可在现场对记录进行查询。
⑦ 供电电源范围宽DC 12～35V，能适应不同的启动电池电压环境。
⑧ 模块化结构设计，可插拔式接线端子，嵌入式安装方式，结构紧凑，安装方便。众智HGM6320 主控制器的主要技术参数见表1。
表1 众智HGM6320主控制器的主要技术参数
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项目
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内容
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工作电压
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DC 8.0～35.0V连续供电
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整机功耗
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＜3W（待机方式：≤2W）
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交流电压输入：
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三相四线
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15~360V AC(ph-N)
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三相三线
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30~600V AC(ph-ph)
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单相二线
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15~360V AC(ph-N)
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单相三线
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15~360V AC(ph-N)
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交流发电机频率
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ZH09/09
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转速传感器电压
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1～24V（有效值）
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转速传感器频率
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最大10000Hz
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启动继电器输出
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16A DC 28V直流供电输出
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燃油继电器输出
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16A DC 28V直流供电输出
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可编程继电器输出口1
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16A DC 28V直流供电输出
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可编程继电器输出口2
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16A DC 28V直流供电输出
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可编程继电器输出口3
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16A DC 28V直流供电输出
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可编程继电器输出口4
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16A 250V AC无源输出
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可编程继电器输出口5/发电合闸继电器
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16A 250V AC无源输出
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可编程继电器输出口6/市电合闸继电器
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16A 250V AC无源输出
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电池组电压监测范围
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0~100V DC
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机房温度监测范围
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0~50℃
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外形尺寸
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240mmx172mmx57mm
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开孔尺寸
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214mmx160mm
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电流互感器次级电流
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额定5A
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工作条件
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温度：-25～＋70℃
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湿度：20％～90％无凝露
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储藏条件
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温度：-30～＋80℃
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防护等级
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IP55：当控制器和控制屏之间加装防水橡胶圈时
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IP42：当控制器和控制屏之间没有加装防水橡胶圈时
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对象：在输入/输出/电源之间
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绝缘强度
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引用标准：IEC688
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质量
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试验方法：AC 1.5kV/1min漏电流2mA
0.90kg
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二、基本结构
众智HGM6320主控制器采用微电子技术，电路高度集成，结构紧凑，操作界面简洁明了。
主控制器采用32位单片机作为核心控制器件，并进行适当外围扩展，显示单元采用具有低温工作特性的荧光点阵显示器，显示各种参量的实时数字值，实现了数据分析、处理及控制智能化，并具备遥测、遥信、遥控功能。其硬件框图如图1所示，由CPU、A/D转换电路、DC/DC转换电路、工况选择检测电路、电压检测电路、转速测量电路、输出控制电路、按键接收电路、显示电路和串行接口等部分组成。
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图1 柴油发电机组控制器的结构示意图 |
○ CPU：CPU为32位ARM单片机，因其没有外部的地址总线、数据总线和控制总线。系统的结构简单、可靠性高。
○ DC/DC转换：自动装置控制器的工作电源由24V蓄电池组提供，DC/DC转换电路完成24V电压转换，为控制回路提供＋5V的工作电源。
○ 工况选择：由工况选择开关完成自动、手动和遥控三种工况选择，并进行转换。
○ 电压检测：完成市电电压检测和柴油发电机组电压检测，检测信号输入CPU。
○ 转速测量：柴油机转速由测速传感器输出的脉冲信号进入CPU，CPU将脉冲数转换成相应的转速。
○ 输出控制：经CPU处理后，输出的各种操作信号经锁存器输出，输出的控制信号经放大单元放大后驱动直流继电器，实现柴油机自启动等控制操作。
○ 按键：设置启动、停机、复位和消音等四个按键，采用触摸键盘。
○ 显示电路：采用低温工作性能良好的荧光点阵显示器作为控制器的数据显示单元。该显示器窗口为4行x10个中文汉字的矩形窗口，通过硬件监测与软件控制。
○ 通信接口：CPU通信采用串行接口通信，扩展MAX202芯片构成RS-485串行接口，通过此接口与应用网络相连，进行远程遥测、遥信和遥控。
1、单片机
单片机微型计算机（single-chip microcomputer）简称单片机，就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口电路集成到一块集成电路芯片上构成的微型计算机。单片机特别适用于控制领域，故又称为微控制器（Microcontroller）。
单片机主要具有以下特点。
① 可靠性高。
芯片是按照工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰能力优于一般通用的CPU；程序指令、常数、表格固化在芯片内ROM中不易被破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
② 易扩展。
片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多扩展用的总线及并行、串行输入/输出引脚，可方便地构成各种规模的单片机应用系统。
③ 控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统有极其丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作及位处理指令。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。
众智HGM6320控制器的核心处理器型号为ATmega128A（其引脚定义如图2和表2所示），该单片机是基于AVR（Automatic Voltage Regu-lation，电压自动调整）、RISC（Re-duced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）结构的8位低功CMOS微处理器。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有寄存器都直接与算术逻辑单元ALU(Arithmetic and Logic Unit) 相连接，使得一条指令可在一个时钟周期内同时访问两个独立寄存器。这种结构大大提高了代码效率，且具有比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。
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图2 柴油发电机组控制器单片机引脚示意图. |
ATmega128A具有丰富的片上资源，在众智HGM6320控制器内主要用到了以下内部模块。
表2 单片机ATmega128A的引脚定义
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引脚序号
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引脚名称
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引脚功能说明
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1
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PEN
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PEN是SPI（串行外设接口，Serial Peripheral Interface的缩写）串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能
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2~9
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端口E（PE0～PE7）
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端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E为三态。端口E也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍
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10~17
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端口B（PB0～PB7）
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端口B为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B为三态。端口B也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍
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33、34
43、
18、19
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端口G（PG0～PG4）
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端口G为5位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。端口G也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍在ATmega103兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的锁存信号以及32kHz振荡器的输入，并且在复位时这些引脚初始化为PGO＝1、PG1＝1以及PG2＝0。PG3和PG4是振荡器引脚
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20
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RESET
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复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位，低于此时间的脉冲不能保证可靠复位
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21、52
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VCC
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数字电路的电源
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22、53、63
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GND
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地
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23
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XTAL2
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反向振荡器放大器的输出
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24
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XTAL1
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反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入
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25~32
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端口D（PD0～PD7）
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端口D为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D为三态。端口D也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍
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35~42
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端口C（PC7～PCO）
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端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出
电流。复位发生时端口C为三态。端口C也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍。在ATmega103兼容模式下，端口C只能作为输出，而且在复位发生时不是三态
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44~51
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端口A（PA7～PA0）
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端口A为8位双向1/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A为三态。端口A也可以用作其他不同的特殊功能，详见相关专业书籍
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54~61
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端口F（PF7～PFO）
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端口F为ADC的模拟输入引脚。
如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。如果使能了JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议，IEEE1149.1兼容）接口，则复位发生时引脚PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作为输入引脚
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62
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AREF
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AREF为ADC的模拟基准输入引脚
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64
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AVCC
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AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接
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① 输入输出端口
ATmega 128A单片机总共有6个8位并行I/O端口，分别记作PA0～PA7、PB0～PB7、PCO～PC7、PD0～PD7、PEO～PE7、PF0～PF7和1个5位并行I/O端口PG0～PG4。每个端口为准双向口，都具有读-修改-写的功能，每一条I/O线都能够独立地用作输入或输出。单片机I/O端口的电路设计非常巧妙，熟悉I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会对设计单片机外围逻辑电路有所启发。
单片机每个端口除了一般的数字I/O功能之外，大多数端口引脚都具有第二功能。如端口PORTA的第二功能为扩展三总线的地址/数据总线的低8位；端口PORTB的第二功能主要有SPI串行控制器接口、定时/计数器的比较输出和PWM输出接口；端口PC的第366二功能为地址总线的高8位；端口PORTD的第二功能为串行通信接口、外中断申请信号输入接口和定时/计数器时钟输入接口等。
众智HGM6320控制器应用单片机输入输出端口的场合有：开关量输入检测，如紧急停机、油压低停机报警信号、水温高停机报警信号；开关量输出控制，如8个继电器的控制。
② 模数转换器
模数转换器ADC是模拟信号源和计算机之间联系的桥梁，其任务是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，以便计算机进行运算、存储、控制和显示等。由于应用场合和要求不同，因而需要采用不同工作原理的A/D转换器，主要有逐次逼近式、双斜积分式、电压-频率式、并行式等几种。ATmega128A有一个10位的逐次逼近型模数转换器ADC。ADC与一个8通道的模拟多路开关连接，能对来自PORTF的8路单端输入电压进行采样。
逐次逼近式A/D转换器也称为连续比较式A/D转换器。这是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的器件，逻辑框图如图3所示。它主要由比较器、N位寄存器、D/A转换器、时序与控制逻辑电路以及输出缓冲器（锁存器）等五部分组成。
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图3 柴油发电机组控制器逐次逼近式转换原理框图 |
其工作原理为：启动信号作用后，时钟信号在时序与控制逻辑电路作用下，首先使寄存器的最高位输出DN-1＝1，其余位为“0”，N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面经D/A转换器转换成模拟量VH后送到比较器输入端，在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较，时序与控制逻辑电路根据比较器的输出进行判断。若VX≥VH，则保留这一位；若VX＜VH，则使DN-1＝0。DN--1位比较完后，再对下一位DN-2进行比较，使DN-2＝1，与上一位DN-1位一起送入D/A转换器，转换后再进入比较器，与VX比较，······，如此一位一位地继续下去，直到最后一位D0比较完毕为止。此时，DONE发出信号表示转换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器的数字量即为VX所对应的数字量。
众智HGM6320控制器应用单片机的模数转换器，将市电/发电电压/电流、水温传感器和油压传感器等电压信号转换成数字量。
③ 定时/计数器
ATmega128A单片机的内部有2个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时/计数器和2个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时/计数器，它们都有定时和事件计数功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测、PWM信号产生等场合。众智HGM6320控制器应用单片机的定时/计数器测量转速传感器的脉冲频率，计算出发动机的转速。
④ 串行通信接口
串行通信接口，其全称为通用同步或异步串行接收/发送器（US-ART，Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），是一个全双工串行通信接口，即能同时进行串行发送和接收。它可作通用异步接收和发送器用，也可作同步移位寄存器用。应用串行接口可实现单片机系统之间点对点的单机通信、多机通信和单片机与系统机（如PC机等）的单机或多机通信。在串行通信设计中，要保证通信双方的通信波特率和工作方式要一致。一般通信波特率可选为300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps和57600bps，而工作方式的选择需要确定数据位数、停止位数和奇偶校验位等。
2、人-机接口电路
人-机界面是操作人员与控制器进行信息交互的渠道，主要由信息输出显示和指令输入两部分。人-机接口电路主要由液晶显示器、发光二极管和按键输入电路组成。
3、模拟量输入接口电路
发电机组主控制器实时检测发电机组的许多模拟量，包括水温、油压、直流电压、交流电流和交流电压等，下面分别介绍各种模拟量的检测接口电路和原理。
① 电阻型传感器输入接口电路
水温传感器和压力传感器均可采用电阻型传感器，即传感器内置一个随着温度和压力变化而阻值变化的电阻，其检测接口电路和检测原理是相同的。接口电路的作用是将变化的电阻转换成0～3.3V的直流电压，如图4所示。
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图4 柴油发电机组模拟输入接口电路原理图 |
上拉电阻R1一端提供3.3V的基准电压AREF。与水温传感器的温变电阻串联分压得到U1OPS，R2和C1组成RC滤波电路，U1OPS经RC滤波后送入单片机内部的模数转换器的输入接口OPL1，经过AD转换后，得到对应的数字量。
下式是上拉电阻和温变电阻分压后的电压计算公式：
.......................................(公式1)
式中 U1OPS——水温传感器与上拉电阻的分压电压值；
UAREF——基准电压；
RT——水温传感器的温变电阻值；
R1——上拉电阻值。
下式是单片机模数转换器的转换公式：
.......................................(公式2)
式中，DX为经AD转换后单片机得到的数字量。
由式（公式1）和式（公式2）可得到数字量与电阻的关系为：
....................................... (公式3)
由上式可知，电路中R1为300Ω，UAREF为3.3V，当单片机测量得到该端口电压D就可得到温变电阻Rr的阻值，查表6-3就可得到温度值。
②直流电压整形电路 直流电压整形电路是将电池电压或充电机电压进行降压和滤波后，转换成0～3.3V的直流电压，送入单片机的模拟输入端口进行模数转换。电路原理图如图5所示，R1和R2对输入电压进行分压，经无极电容C1和电解电容C2进行滤波，稳压二极管VD1可吸收高于5V的电压尖峰，对单片机的模拟输入端口进行防过压保护。单片机测量的直流电压公式如下所示：
.......................................(公式4)
式中 VIN——测量得到的直流电压值；
DX——经AD转换后单片机得到的数字量。
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图5 柴油发电机组控制器直流电压整形电路原理图 |
③ 交流电流采样整形电路
发电机组主控制器需要实时检测市电电压、发电机输出电压、负载电流，并计算出负载的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和累计电能等。对负载电流的转换是通过两组互感器实现的，通过电流互感器将发电机组输出电流转换成0～5A的交流电信号，该电流送入发电机组主控制器的三个精密电流互感器，三相电流分别从IA、IB、IC流入三个精密电流互感器，进入公共端ICOM（如图6所示）。在每个精密电流互感器的输出端，感应出0～5mA电流，分别通过电阻R1、R2和R3变成交流电压，并将电压抬高（基准电压VREF 为AREF/2，即1.65V），将VIA、VIB和VIC电压变换在0～3.3V范围内，用于单片机的模数转换器的单端输入模式。单片机的模数转换器对输入的交流电压进行交流采样，按傅里叶算法计算出幅值和相位，再根据互感器的变比，计算出实际电流值。
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图6 交流电流采样整形电路原理图 |
④ 交流电压采样整形电路
对市电电压和发电机输出电压的测量，是直接将电压信号进行降压和基准抬升，转换成0～3.3V的信号，交流电压采样整形电路原理图如图7所示。输出UAIN与输出UA1的关系为：
.......................................(公式5)
单片机的模数转换器对输入的交流电压进行交流采样，按傅里叶算法计算出幅值和相位，按电路的放大倍数，可计算出实现电压值、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率和累计电能。
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图7 交流电压采样整形电路原理图 |
4、开关量输入接口电路
开关量输入接口电路可以将发电机组中传感器的开关状态和电平变化状态整理为0或5V的规则电压，送入单片机的输入端口。图6-17是开关量输入接口电路原理图，当开关K断开时，二极管VD1截止，SW1的信号由R1和R2连接到VCC，电压为5V；当开关K闭合时，二极管VD1导通，SW1的信号由R2、VD1和K连接到GND，电压为0V左右。在电路中增加二极管VD1，是为了保护输入单片机端口的电压不能过高，当开关K断开时，引脚1OPL可能会引入高电压，如静电或意外接入高电平，若没有二极管，高电压会通过R2引入单片机端口，烧毁单片机；加入二极管后，当1OPL电压高于VCC时，二极管VD1反向截止，高电压就不可能通过VD1窜入单片机端口。
图8是检测电平信号变化的接口电路，当外部电压STOP低于4.2V时，经R1和R2串联分压后，三极管Q1基极电压低于0.7V，Q1截止，STOPIN经R3连接到VCC，输出电压为VCC；当外部电压高于4.2V时，经R1和R2分压后，Q1基极电压高于0.7V，Q1导通，STOPIN经Q1连接到GND，输出为OV。当STOP输入反向电压时，电流经二极管VD1和R1形成回路，保护Q1基极和发射极不被反向击穿。
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图8 检测电平信号变化的接口电路 |
5、开关量输出接口电路
发电机组主控制器对执行器的控制，主要是通过继电器实现的，图9是继电器输出电路原理图。继电器由线圈和触点组成，线圈的工作电源由VREL提供（9V）；触点由公共触点COM、常开触点NO和常闭触点NC组成，在继电器不动作时，公共触点COM与常闭触点NC连通，继电器动作时，公共触点COM与常开触点NO连通。当单片机输出端口RELO输出高电平时，三极管Q1导通，继电器线圈产生较强磁场，吸合触点动作，COM与NO连通；当单片机端口RELO输出低电平时，三极管Q1截止，继电器线圈失电，触点在弹簧作用下恢复，COM与常闭触点NC连通。
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图9 继电器输出电路原理图 |
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