基于单片机的船用发电机实时保护装置设计

摘要：结合船用发电机保护的功能需求，介绍一种基于单片机的船用发电机实时保护装置。讨论如何实时监测多路信号并做出准确延时，描述一种友好的树形菜单结构。该装置硬件结构简单，精度高，程序扩展性好，易于维护。
关键词：单片机；船用发电机保护；实时控制；树形菜单

1 引言
    水路运输，特别是内河中小型船舶运输在全国交通网中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，离不开船舶发电机连续可靠供电的保证。船用发电机保护的主要内容有：短路保护、过载保护、欠压保护、逆功率保护。由于逆功率现象只在发电机并联运行时形成，所以前3种保护组成了船用发电机保护的最小需求。短路故障发生时，需要在事件发生瞬间进行保护；而针对过载和欠压现象，则需要进行一定延时确定事件确实发生，才进行预先设定的保护动作。因此，如何针对船用发电机设计可实时监测并进行精准延时的保护装置，就成了解决问题的关键。

2 系统结构
    所研究的保护装置要求能实时监测三相三线制船用发电机，用户透过液晶屏幕设置各项保护参数，设置的参数要求在掉电后不丢失。装置可设置各种保护的报警、动作情况，并记录事件，记录的日志同样要求掉电不丢失。为了配合上位机的集中管理，装置附带RS485接口与上位PC机通讯，使得上位微机可以实时监测发电机当前运行情况。系统原理结构图如图1所示。

    传感器采用了线性度和频率响应均较好的霍尔电压传感器(PT)和霍尔电流传感器(CT)。因发电机保护装置的实时性要求较高，而测量精度相对要求较低，装置放弃了对信号测频采样的测量，转而采用由均方根值转直流(RMS2DC)器件直接计算电压电流有效值的方式。电压信号(额定380 V)和电流信号(额定5 A)经过该器件以及后级的滤波、调理、限幅，送入MCU自带的A/D转换器中。装置使用I2C总线与实时时钟器件(RTC)通信。可将当前时间直观地显示在监控页面，在事件发生时亦可将事件的时间记录在日志中。报警和动作输出继电器的带负载能力为10 A。保证输出的触点信号可使断路器分断。LED指示灯根据危险的情况分为过载预报警、过载长延时、过载短延时和欠压4种．危险发生时LED灯闪烁指示，启动保护后长亮指示。

3 事件检出与处理
    参考船舶配电规范为装置制定了如表1所示的保护方案悯。表1中，IP为发电机额定电流，Up为发电机额定电压，当前电压U与当前电流，触发危险的门限值由用户设定。约定电压电流达到门限称为触发危险，危险延时后进行动作称为触发事件。由于装置需同时监测多路信号的电平变化。并对各种危险状态做出不同的延时响应，所触发事件的组合情况就会变得异常复杂，为了保证事件不漏检、不误检，需要对每路信号进行“横向”和“纵向”的对比。
    横向对比是指每次循环扫描需同时检查电压电流的6个通道。为此，在事件检出处理子程序的设计中，需对本次检查的6个通道的危险情况进行汇总，以确定危险是否存在，如何闪烁指示灯，如何设置当前的计时类型，确定在0.1 s计时中断中哪些计时变量需要做自加，从而保证事件不漏检。纵向对比，指每个通道需要对比上次检出和本次检出的危险情况。为此，在检查每个通道时，需要对比本次危险较之上次危险是否发生改变，如果是由高门限的危险转向低门限的危险，则需要清零高门限危险对应的计时变量，以确保延时准确，从而保证事件不误检。事件检出与处理流程如图2所示。

    尽管是在每次循环最后才对当前的危险状态进行相应处理，但在单片机处理速度足够快的情况下(装置外接16MHz有源晶振性能可达16 MI／s)，这种时间误差是可以忽略不计。同时，由于装置为自己编写实时控制应用，并没有移植任何操作系统，代码的执行效率也很高，实测装置可以达到标称的0.2 s延时响应精度。

4 树形菜单
    结合表1的设定内容可以发现，除短路保护外的其余4种保护类型，都需要设定延时时间和保护门限，另外还需要设置每种保护类型对应的报警输出和动作输出继电器是否动作，以及每种保护是否进行日志记录，这样至少需要4×5=20个页面进行相关参数的设定。装置其它辅助功能也需要额外的设定或查询页面，要求设计组织好这些页面表现，以提升用户体验的友好性。设计采用了树形菜单组织这些页面，如图3所示。

    装置采用了带中文字库128×64点阵的液晶显示模块，最多可以显示4行，每行8个中文字符。针对这一特点设计了如下的选单和菜单结构体。

    以上的结构体中，定义每个菜单最多有6个选项(0位置为菜单的标题)，根据每个菜单的选项的实际个数设置菜单尾项。程序初始化时，将各个选单的字符串指针指向FLASH中定义的字符串常量，当用户按下上下方向按键时只需修改菜单结构体中的selected成员，而后再将菜单的内容填充到对应的选单结构体进行刷新显示，即可实现上下移动选中条的操作效果。同样，可根据当前菜单中selected的值来判定要进入哪一个功能页或子菜单。实际操作的页面显示效果如图4所示。

5 结语
    针对船用发电机保护的实际需求，设计了基于单片机的船用发电机实时保护装置。在事件检出与处理模块的设计时，既要综合考虑多通道、多危险类型的情况，又要考虑到保护类装置对实时性的要求。采用先单路纵向比较再多路汇总统一处理的方法，很好地解决了多种危险组合与快速准确保护之间的矛盾。针对用户设置页面较多的情况，应用了树形菜单的显示方案，并为方案设计了对应抽象的菜单结构体和对应显示屏的选单结构体，提升了用户操作的友好性。