Разработка микроконтроллера для регистрации пожаров

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитная совместимость (ЭМС) линий электропередачи различного напряжения с техническими средствами, в том числе и между собой, представляет глобальную проблему в электроэнергетике. Соответствие уровней ЭМС для кондуктивных электромагнитных помех (ЭМП) требованиям ГОСТа 13109-97 необходимо: для обеспечения мероприятий по защите жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного имущества, по охране окружающей среды; для повышения технико-экономических показателей производств и качества выпускаемой ими продукции. Министры энергетики восьми ведущих промышленно развитых стран мира (страны «Группы восьми») на встрече 03.05.2002 г. в США (г.Детройт, штат Мичиган) рекомендовали решать эту проблему объединенными усилиями. проблема ЭМС технических средств в отдельных регионах России обострилась в последнее время из-за нарушения баланса электрической мощности и, как следствие, изменения интегрального показателя региональных ЭЭС - мощности трехфазного короткого замыкания (КЗ). Усилилось влияние искажающей нагрузки в основном предприятий тяжелой промышленности и электрифицированного железнодорожного транспорта, работающих в предельных режимах, на электрические сети различного напряжения. Воздействие кондуктивных ЭМП осуществляется на основное электрооборудование ЭЭС, которое в значительной части отработало свой нормативный ресурс. К 2015 г. сработка ресурса генерирующих мощностей достигнет 62% от установленной мощности, расчетные ресурсы сработают 58% силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, 75% электрических сетей. Темпы нарастания изношенного электрооборудования составляют от 2 до 6% в год от общего количества.

Таким образом, в ближайшие десятилетия бесперебойное электроснабжение регионов будет определяться надежностью действующего в настоящее время оборудования. Поэтому актуален также поиск путей продления ресурса действующего электрооборудования за счет улучшения ЭМО, т.е. подавления кондуктивных ЭМП. Это необходимо осуществить при отсутствии сертификации электрической энергии в системах электроснабжения (СЭС) предприятий (юридических лиц), которые, с одной стороны, являются главными источниками ЭМП, а с другой стороны, несут значительные убытки от несоответствия показателей КЭ стандартным требованиям.

В связи с изложенным исследование кондуктивных ЭМП и разработка методов их подавления представляется своевременным и актуальным.

Цель моей работы - рассмотрим проблемы, связанные с контролем и улучшением ЭМО на энергетических объектах.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Характеристика технического объекта

Источники ЭМ помехи - любые устройства, которые могут создавать и излучать электромагнитные поля.

По своему происхождению источники непреднамеренных помех можно разделить на две группы: естественные и искусственные. По своему пространственному расположению источники естественных помех могут быть земными и внеземными.

Внеземные: обусловленные ЭМ излучением Солнца, планет солнечной системы, звезд и т.п. Помехи создаваемые этим излучением особенно существенны для систем работающих в диапазонах УВЧ, СВЧ и более высокочастотных.

Помехи воздействуют на различные системы, РЭС, устройства и элементы, которые можно определить обобщенным понятием рецептора электромагнитных колебаний.

Рецепторы электромагнитной помехи - все устройства, которые в той или иной мере, обратимо или необратимо изменяют значения своих параметров под влиянием электромагнитных полей. Рецепторы могут быть естественного и искусственного происхождения.



Рис.1. Классификация рецепторов электромагнитных помех.

Искусственные рецепторы можно разделить на две группы:

*работающие по принципу извлечения информации из электромагнитного поля (радиоприемные устройства);

*рецепторы, принцип работы которых не связан с внешними полями.

Воздействие помех на рецепторы происходит как через антенный тракт (радиоприемники), так и вследствие наводок на различные элементы РЭС, по цепям питания и управления.

Передаточная функция ОУ определяется следующим выражением:

где .

Y₁(t) - сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y₂(t) - сигнал с датчика по каналу контроля [1].

1.2 Расчёт параметров настройки регулятора

С помощью моделирования системы в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора.

Рис.2. Схема модели цифровой системы.

Рис.3. Графики сигнала рассогласования управляющего воздействия и регулируемой переменной для случая входного воздействия в виде скачка .

2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

2.1 Оценка состояния заземляющего устройства, включая заземление средств грозозащиты

электромагнитный напряжение регулятор заземляющий

Помимо классической процедуры проверки сопротивления растеканию заземляющего устройства, имеется необходимость контроля качества электрических связей между элементами больших ЗУ.

В работе авторы использовали следующую методику: в пределах заземляющего контура объекта выбирается опорная точка.

Связь остальных точек с опорной проверяется организацией токовой петли между заземлением проверяемого аппарата (конструкции) и опорной точкой. Измеряется потенциал проверяемой точки относительно удаленной земли (потенциального зонда). Частное от деления потенциала на ток прогрузки - это сопротивление, которое можно назвать сопротивлением основания аппарата (конструкции) относительно опорной точки. Величина меньше 0,1 Ом говорит о хорошей связи с опорной точкой. Величины более 0,1 Ом объясняются дефектами ЗУ (малостью эффективного сечения заземлителей вследствие коррозии или конструктивных недоработок, недостаточным количеством или отсутствием металлосвязей).

В этом случае должны проводиться мероприятия по улучшению состояния ЗУ. Для подобных измерений сейчас используются специальные цифровые приборы, обеспечивающие высокую селективность измеряемых сигналов на фоне помех, что крайне важно для измерений на объектах со сложной ЭМО.

Трассировка коммуникаций ЗУ с помощью специальных трассоискателей может быть полезна на этапе проведения ремонтно-восстановительных работ.

При этом надо учитывать, что такие приборы обычно дают лишь приближенное представление о геометрии металлосвязей в пределах ЗУ, не позволяя оценить их качество.

2.2 Определение трасс растекания токов при грозовом разряде и КЗ

Опыт анализа причин повреждений аппаратуры и здравый смысл подсказывают, что сопротивление -- не единственная характеристика ЗУ. Растекание значительных токов по металлоконструкциям кабельных каналов, экранам кабелей, заземляющим шинам в помещениях с аппаратурой и корпусам оборудования само по себе опасно. Действительно, создаваемые при этом поля и наводки могут приводить к сбоям и отказам аппаратуры даже при том, что все требования нормативных документов к сопротивлению оказываются выполненными. Поэтому часто возникает необходимость определения реальных трасс токов молнии или токов КЗ.

2.3 Долговременный мониторинг помех в информационных цепях

Фиксируются постоянно присутствующие помехи в широком диапазоне частот. Кроме того, производится мониторинг нерегулярно появляющихся импульсных помех. Осциллограф с присоединенным компьютером переводятся в режим «черного ящика», позволяющий без участия оператора обнаруживать помехи, фиксировать соответствующие осциллограммы и записывать их в память компьютера. Теоретически время проведения мониторинга не ограничено (реально, как правило, - несколько суток).

2.4 Измерение уровней помех в информационных цепях и цепях питания при коммутационных операциях

Осуществляется с помощью современных цифровых осциллографов (типичная частота дискретизации 1 ГГц на канал) с функцией запоминания импульсного сигнала. Выбор уставок триггера осуществляется в зависимости от вида операции и цепи, в которой производятся измерения. Осциллограммы в цифровом представлении передаются на компьютер, что позволяет в дальнейшем осуществлять их обработку с использованием математических пакетов.

2.5 Оценка качества напряжения питания от основных и резервных источников

Определяется коэффициент гармонических искажений, при необходимости отслеживается изменение действующего значения в течение суток или более. Производится осциллографирование переключения на резервное питание, что позволяет определить длительность бестоковой паузы.

2.6 Оценка уровней электромагнитных полей

Для измерения полей используются специальные интегрированные приборы, антенны и т.п. В ряде случаев необходимо применение аналитических методов. Это касается, в частности, определения уровней магнитных полей в местах расположения аппаратуры при КЗ в высоковольтных сетях с заземленной нейтралью.

Проведение указанных работ требует известной квалификации персонала и использования относительно дорогостоящего оборудования. Поэтому представляется целесообразным проведение таких работ силами специализированных организаций или отделов в рамках комплекса проектно-изыскательских работ по реконструкции объекта. Работы должны производиться в тесном контакте с проектировщиками, ведущими общий проект реконструкции. Разумеется, это приводит к некоторому удорожанию проекта, что является, по сути, платой за безопасность и надежность предлагаемого решения.

В последнее время все интенсивнее стали применяться устройства подавления импульсных перенапряжений в цепях питания и обмена информацией. Такие устройства выполняются на базе силовых элементов с сильно нелинейной вольт-амперной характеристикой: разрядников, варисторов, стабилитронов и т.п. Нелинейность ВАХ позволяет организовать канализацию импульсных помех по схеме «провод-провод» или «провод-земля», не позволяя им достигнуть входов аппаратуры. Отметим, что эффективность использования таких устройств во многом определяется организацией системы заземления.

В настоящее время для максимально эффективного подавления помех в системе питания принято использовать принцип зонной защиты. Он заключается в установке защитных устройств в несколько каскадов, каждый из которых рассеивает некоторую часть энергии импульса (рис. 3). В результате амплитуда помех снижается до уровней, безопасных для аппаратуры, даже не предназначавшейся специально для размещения на энергообъектах [2].



Рис. 3. Установка защитных устройств классов I, II и III (по классификации МЭК) в сети TN-C-S 220/380 В

Наиболее сложная схема системы защиты должна выстраиваться для объектов, которые находятся на открытой местности и имеют в своем составе высоко расположенные элементы конструкции. К таким объектам можно отнести коттеджи в сельской местности, промышленные 6объекты с высокими трубами, объекты связи с антенно-мачтовыми сооружениями (АМС) и т.п., в которые с большой степенью вероятности может ударить молния, а также объекты, имеющие воздушные вводы электропитания.

В том случае, когда необходимо, например, защитить здание, расположенное в населенном пункте городского типа, вопрос решается несколько проще.

В городских условиях удар молнии наиболее вероятен в трубы промышленных предприятий, линии электропередач, телевизионную вышку или отдельные наиболее высокие здания (особенно если на них установлены антенно-мачтовые сооружения базовых станций сотовой связи).

Токи молний могут воздействовать на объект прямым способом при попадании молнии в его систему молниезащиты или находящиеся в непосредственной близости сооружения, предметы или деревья.

Но наиболее частыми являются случаи вторичных воздействий при ударе молнии в удаленные объекты (линии электропередач, подстанции и т.п.), связанные какими-либо коммуникациями с защищаемым объектом, или при межоблачных разрядах, вызывающих возникновение импульсных токов больших величин в металлических элементах конструкций и коммуникациях. Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа показаны на рис. 4.

Железобетонные конструкции зданий, выполняющие функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое соединение с системой выравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя большую опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю.



Рис 5. Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии.

Стандарт IЕС 61312-1 определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии:

Зона 0А: Зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.

Зона 0В: Зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии (ПУМ), так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено по сравнению с зонами 0А и 0В за счет экранирующих свойств строительных конструкций.

Последующие зоны (Зона 2, и т.д.). Если требуется дальнейшее снижение разрядных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо проектировать так называемые последующие зоны. Критерий для этих зон определяется соответственно общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. Имеет место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с обеспечением их периодического контроля.

Примечание: Способы образования связей на границах раздела между Зоной 0А, Зоной 0В и Зоной 1 приведены в ст.3.1 стандарта IЕС 61024-1. На распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают влияние различные элементы строительных конструкции такие как: отверстия или щели (например, окна, двери) обшивки из листовой стали (водосточные трубы, карнизы), а также места ввода-вывода кабелей электропитания, связи и других коммуникаций.

На рисунке 3 приводится пример разделения защищаемого объекта на несколько зон. Кабели электропитания, связи и другие металлические коммуникации должны входить в защитную Зону 1 в одной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к главной заземляющей шине на границе раздела Зон 0А- 0В и Зоны 1.

Описанное выше разделение объекта на условные зоны позволяет на практике эффективно решать вопросы защиты электропитающих сетей до 1000 В, а также линий связи, передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью применения различного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений (или так называемой внутренней системой молниезащиты) [3-5].



Согласно требований данных стандартов, устройства защиты от перенапряжений, в зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи, делятся на следующие классы: I, II, III (или B, C, D согласно немецкого стандарта E DIN VDE 0675-6 (1989-11). Надо отметить, что все основные производители защитных устройств уже перешли на классификацию, предусмотренную стандартами МЭК, и буквенные обозначения практически ни кем не применяются.

Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Класс устройства	Назначение устройства
I (В)	Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания (объекта) или воздушную линию электропередач (ЛЭП). Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Нормируются импульсным током Iimp с формой волны 10/350 мкс.
II (С)	Предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.
III (D)	Предназначены для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе TN-S), фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Могут иметь самую разнообразную конструкцию (в виде розеток, сетевых вилок, отдельных модулей для установки на DIN-рейку или навесным монтажом). Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.

Исходя из оценки риска прямого удара молнии или наводок от удаленного разряда, необходимо выбрать тип применяемых защитных устройств и схему их установки. Необходимость защиты от грозовых перенапряжений зависит от:

? Интенсивности ударов молнии в данном месте Ng (среднее годовое количество ударов молнии на 1 км2 за год). В странах Европы данную статистику проектировщик может легко получить с помощью автоматизированной системы определения места удара молнии. Данные системы состоят из большого количества датчиков, размещенных по всей территории Европы и образующих единую контролирующую сеть. Информация от датчиков в реальном масштабе времени поступает на контролирующие серверы и с помощью специального пароля доступна через Интернет. В условиях России данное значение можно получить, используя карты грозовой активности по регионам. Но при этом полученный параметр будет весьма приблизительным.

? Также необходимо оценить уязвимость самой электроустановки. Например, подземные системы электропитания по вполне понятным причинам считаются менее уязвимыми, чем воздушные.

? Высокая стоимость оборудования, подключенного к защищаемой электроустановке, может стать важным критерием для усложнения схемы защиты и наоборот.

При выборе защитных устройств на разрядниках или оксидно-цинковых варисторах необходимо обращать внимание на следующие параметры:

1. Номинальное рабочее напряжение. (Un) Это номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.

2. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение защитного устройства (максимальное рабочее напряжение). (Uc) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства.

3. Классификационное напряжение (Параметр для варисторных ограничителей перенапряжений). Это действующее значение напряжения промышленной частоты, которое прикладывается к варисторному ограничителю для получения классификационного тока (обычно значение классификационного тока принимается равным 1,0 мА).

4. Импульсный ток. (Iimp) Этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса длительностью 10/350 мкс и зарядом Q. Применяется для испытаний защитных устройств класса I.

5. Номинальный импульсный разрядный ток. (In) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.

6. Максимальный импульсный разрядный ток. (Imax) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.

7. Сопровождающий ток. (If) (Параметр для УЗИП на базе разрядников). Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением If равным 100 - 400 А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необходимо применять разрядники со значением If, превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2 - 3-х кА и выше!

8. Уровень защиты.(Up) Это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In).

9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 нс. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 наносекунд до нескольких микросекунд.

Существует ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе устройств защиты от перенапряжения: ток утечки (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств со встроенными предохранителями).

Система внутренней молниезащиты для электропитающей сети до 1000 В, состоящая из разного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений, должна быть способна осуществить отвод грозовых токов или их большей части без повреждения самих защитных устройств. Для определения величины тока, проходящего через УЗИП первой ступени защиты в случае прямого удара молнии в здание, защищённое системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания потенциалов здания, а также подведенных к нему коммуникаций (трубопроводов, электропитающих кабелей, кабелей связи и передачи информации и др.). На рисунке 6 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК 61024-1-1; МЭК 61643-12).

Рис. 6. Распределение токов молнии при прямом ударе в объект

Для определения распределения токов между металлическими элементами конструкции здания при попадании молнии в систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.

В случаях, когда трудно осуществить точный расчёт, осуществляется так называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:

- расчет производится для пикового значения тока Iimp, взятого из таблицы 2.3 (Инструкции СО-153-34.21.122-2003) в соответствии с выбранным уровнем защиты от ПУМ. Например, для объектов с первым уровнем защиты Iimp = 200 kA (10/350 мкс)

- 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) > IS1 = 100kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;

- 50% от общего тока Iimp = 200kA (10/350) > IS2 = 100kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.

Одним из основных параметров защитных устройств является уровень защиты (Up), это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (In). Из рисунка 7 четко видно, что каждая ступень защиты обеспечивает выполнение требований по импульсной стойкости изоляции.

Как правило, УЗИП класса I на базе разрядника имеют Up = 4 kV, на базе варистора еще ниже, УЗИП класса II имеют Up = 1,3 - 2,5 kV, УЗИП класса III имеют Up = 0,8 - 1,5 kV [5,6].



Рис.7 Установка устройств защиты от перенапряжений на различных объектах.

Для того чтобы надежно защитить любой объект от воздействия любого вида перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов. При этом желателен переход на системы электропитания TN-S или TN-CS с разделёнными нулевым и защитным проводниками. Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для повышения уровня электробезопасности обслуживающего персонала. Следующим шагом должна стать установка защитных устройств.

Основные принципы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений в отечественной нормативной базе рассмотрены в ГОСТ Р 50571.26-2002 (МЭК 60364-5-534-97) «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений». Это фактически первый стандарт МЭК по применению УЗИП, переведенный на русский язык и изданный в системе ГОСТ Р. МЭК в своих других стандартах более глубоко рассматривает проблему защиты от импульсных перенапряжений. Как уже говорилось выше, некоторые из них так же готовятся к изданию в системе ГОСТ Р. Предлагаемые ниже решения основаны именно на требованиях этих стандартов.

Существуют две основных схемы включения защитных устройств в электропитающую линию (См. рис. 8).

Рис.8 Схемы защиты от: а) Синфазных и б) Противофазных перенапряжений

Схема (а) предназначена, в первую очередь, для защиты от синфазных (продольных) перенапряжений (провод - земля), схема (б), соответственно, от противофазных (поперечных) перенапряжений (провод - провод). Полученные в целой серии экспериментов данные, а также результаты статистических исследований, проводимых фирмами - производителями защитных устройств, показали, что более высокую опасность для защищаемого оборудования представляют собой противофазные (поперечные) перенапряжения (на клеммах электроприёмников L/N), по сравнению с продольными перенапряжениями (на клеммах электроприёмников L/PE и N/PE). При проектировании различных ступеней защиты возможно комбинирование этих схем.

Схема подключения защитных устройств для сети типа TN-S приведена на рисунке 7. УЗИП I, II и III классов включаются между фазными проводниками (L1, L2, L3) и нулевым рабочим проводником (N) для ограничения противофазных перенапряжений (провод - провод). Для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля) в каждой ступени защиты между проводниками N и PE устанавливается разрядник соответствующего класса защиты.

Рис. 9 Вариант установки УЗИП в TN-S сеть

Одним из преимуществ данной схемы является то, что разрядники в цепи N - PE позволяют обеспечить гальваническую развязку этих проводников, а следовательно, и лучшую помехозащищенность оборудования связи или обработки информации. Известно, что нулевой рабочий проводник практически всегда находится под каким-то потенциалом (от единиц до десятков вольт), зависящим от симметричности распределения нагрузки по фазам. Так же при работе импульсных нагрузок (например, импульсных выпрямителей с преобразованием частоты) в нулевом рабочем проводнике появляются высшие гармоники рабочей частоты сети 50 Гц. Все эти помехи могут приводить к ошибкам и сбоям в работе сверхчувствительных нагрузок через цепи заземления и уравнивания потенциалов, т.е. через PE проводники. Применение системы электропитания типа TN-S с разрядниками в цепи N - PE позволяет свести эти влияния к минимуму.

В некоторых случаях возможно также применение устройств защиты в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 10.

Рис.10. Вариант установки УЗИП в TN-S сеть 220/380 В

В данном случае УЗИП классов I и II включаются между токоведущими проводниками (L1, L2, L3, N) и нулевым защитным проводником (PE) для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля). УЗИП класса III включаются в соответствии с предыдущей схемой для ограничения противофазных перенапряжений (провод - провод) непосредственно около защищаемого оборудования.

Основным недостатком предложенной системы является выполнение требований к очередности срабатывания защитных устройств.

При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования очень важно для правильной работы (координации срабатывания) защитных устройств. В момент возникновения в силовом кабеле импульсного грозового При монтаже устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать то, что расстояния между главной заземляющей шиной, щитком защитным и вводным щитом объекта должны быть минимальные. РЕ проводники должны прокладываться возможно кратчайшими путями. При подключении силовых кабелей к щитку необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления. Перенапряжения с очень крутым фронтом, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля при протекании по ним импульса тока, на них возникает падение напряжения, которое оказывается приложенным к первому каскаду защиты. Таким образом, достигается его первоочередное срабатывание (обеспечивается необходимая временная задержка в нарастании импульса перенапряжения на следующей ступени защиты). Такие же требования предъявляются при подключении третьей ступени защиты.

В случае необходимости размещения УЗИП на более близком расстоянии или рядом необходимо использовать «искусственную линию задержки» в виде импульсного разделительного дросселя с индуктивностью не менее 6-15 мкГн.

Выбор величины индуктивности зависит от того, каким образом осуществляется ввод электропитания в объект. При подземном вводе (когда в первом каскаде защиты установлены варисторы) величина индуктивности может быть взята меньшей (порядка 6 мкГн), при воздушном вводе (в первой ступени установлены разрядники) это значение должно быть не менее 12-15 мкГн. (см. рисунок 11).

Это объясняется разным временем срабатывания разрядников и варисторов.

Рис.11. Вариант установки УЗИП с использованием дросселей в TN-S сеть 220/380 В

При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки в фазных проводниках не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в техническом паспорте на данные устройства.

При необходимости и для удобства монтажа и обслуживания устройства защиты могут размещаться в отдельном щитке. Причем в одном щитке могут быть установлены ограничители перенапряжения всех трех классов.

Это становится возможным в случае установки между ними разделительных дросселей.

Пример схемы подключения к электроустановке защитного щитка с двумя ступенями защиты приведен на рисунке 11.

К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход щитка, к силовой стороне групповых автоматов - выход щитка. Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта или РЕ шину вводного щита (ГРЩ) [7-9].

Рис.11. Установка щитка ЩЗИП в 3-х фазную TN-C-S сеть

Правильные и неправильные варианты прокладки проводников различного назначения приведены на рисунке 12.

Рис. 12 а), б) - неправильная прокладка защищенных и влияющих проводников, в) - правильная прокладка защищенных и влияющих проводников

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

3.1 Разрядности АЦП и ЦАП

электромагнитный напряжение регулятор заземляющий

Рассчитываем допустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия при значении коэффициента точности управляющего кода :

В

Рассчитываем разрядность АЦП:

Таким образом, АЦП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета АЦП:

(1/% RH)

Определяем величину младшего разряда АЦП:

(% RH)

Вычисляем разрядность ЦАП:

Получили, что ЦАП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета ЦАП:

(В)

Таким образом, коэффициент пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП:

(В/% RH)

3.2 Трансформированная погрешность

Рассчитываем трансформированную погрешность, которая обусловлена трансформацией погрешностей входных переменных, по которым определяется управление для ПИ закона. Для этого используем ряд конечных разностей

и расчётную формулу трансформированной погрешности

Если вычисление интеграла было выполнено по формуле трапеций, то погрешность определяется как:



Получили величину трансформированной погрешности, которая в два раза превосходит допустимую. Для её уменьшения введём экспоненциальное сглаживание с коэффициентом ослабления , тогда:

В

3.3 Инструментальная погрешность

Для оценки инструментальной погрешности выбираем разрядность АЛУ микроконтроллера на 4 разряда больше, чем в АЦП, и рассчитываем величину младшего разряда.

(В)

Теперь для оценки инструментальной погрешности, которая обусловлена ограниченной длиной разрядной сетки вычислителя, необходимо подсчитать количество округлений в алгоритмах проверки на достоверность, сглаживание и ПИ-закона управления:

Полная инструментальная погрешность определяется как

,

где дисперсия единичного округления в АЛУ с учётом равномерного закона распределения определяется в виде:

(В)

Находим методические погрешности интегрирования и дифференцирования на интервале с помощью моделирования в пакете Simulink замкнутой системы:

В

Среднеквадратическое значение ошибки управляющего воздействия составляет:

(В²)

Из выполненных расчётов видно, что обеспечить заданную допустимую погрешность вычислений В можно, выбрав коэффициент ослабления помех равный , АЦП и ЦАП 8-ми разрядными, а количество разрядов АЛУ не менее 12-ти [10].

4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА

При измерении технологических параметров информация от датчиков поступает в аппаратуру ввода/вывода в виде унифицированных сигналов (0-10В или 4-20 мА), т.е. реальной физической величине соответствует напряжение или сила тока. В устройствах связи с объектом эти сигналы преобразуются в двоичные коды длиной от 8 до 16 разрядов. Чтобы провести анализ получаемой информации, необходимо преобразовать коды АЦП в масштаб реальных физических величин: % RH, м³/час. К тому же датчики могут иметь статические ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной сигнал.

Для получения корректных значений результатов мониторинга из двоичных кодов применяют алгоритмы первичной обработки такие, как нормализация, пересчет в технические единицы, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы.

В данной работе исследуются такие алгоритмы первичной обработки, как

- проверка на достоверность,

- сглаживание.

Проверка на достоверность. Благодаря её выполнению, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу.

В качестве измерительной погрешности учитывается только погрешность датчика. Если выбран датчик с погрешностью , то максимально допустимое значение погрешности измерения определяется как:



Это выражение следует из нормального закона распределения погрешностей измерения, в соответствии с которым максимальное значение случайного сигнала y_max = 3?_y (?_y - среднеквадратическое значение). При этом условие проверки на достоверность имеет вид:

.

Проверка сигналов на достоверность заключается в следующем: если условие не выполняется, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика. При этом осуществляется переход к меньшему шагу опроса датчика:

(-

новое значение шага опроса датчика после обнаружения первого неправильного отсчета). Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд с шагом не выполняется условие проверки на достоверность, то по знаку разности () принимается решение об обрыве или неисправности датчика i-го канала. Фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал или резервный датчик.

Сглаживание.

Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения.

Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания.

Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна имеет вид:

M_i - параметр сглаживания, величина которого определяет количество отсчетов , взятых для вычисления одного сглаженного значения .

Принцип скользящего: для вычисления очередного сглаженного значения записанная в М_i ячейках памяти информация сдвигается влево, и в освободившуюся ячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедуры суммирования М_i отсчетов и умножения на коэффициент . Из анализа алгоритма ясно, что для его реализации потребуется M_i+2 ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-е сглаженное значение составит

.

Величина параметра сглаживания вычисляется по заданному значению коэффициента ослабления помех , который, в свою очередь, представляет собой отношение

,

где - среднеквадратическое значение помех в отсчетах датчиков x_ik; - среднеквадратическое значение помех в сглаженных, вычисленных в соответствии по алгоритму значений xc_ik.

Значение параметра сглаживания для i-го датчика:

.

Экспоненциальное сглаживание. Его алгоритм имеет вид:

при начальном значении и диапазоне изменения параметра сглаживания: 0<_i<1.

Величина параметра определяет длительность переходных процессов и качество сглаживания. Чем меньше , тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получения сглаженного значения с заданным ослаблением помехи .

Выражение расчёта параметра для алгоритма экспоненциального сглаживания, если задан коэффициент ослабления помех :

Первое сглаженное значение будет получено с заданной точностью в соответствии с алгоритмом спустя время:

.

Это время будет возрастать с увеличением точности вычислений ?. Достоинством алгоритма экспоненциального сглаживания, по сравнению со скользящим окном, является малый объем памяти, хотя он значительно дольше входит в установившийся режим [12].

5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

5.1 Микроконтроллер

ADuC7020 - микроконтроллер фирмы Analog Devices для прецизионной обработки аналоговых сигналов, содержащий в своем кристалле полнофункциональную 12-разрядную систему сбора и обработки данных на основе ядра микроконтроллера ARM7TDMI и 12-разрядного АЦП с частотой преобразования 1 МГц. По аналогии с другими интегральными преобразователями данных микроконтроллер характеризуется сочетанием на одном кристалле прецизионного аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования и флэш-микроконтроллера.

Рис.13. Функциональная схема микроконтроллера

(ИОН - источник опорного напряжения, ПЛМ - программируемая логическая матрица, УАПП - устройство асинхронной приемо-передачи, ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, MIPS - млн. операций в сек.)

Отличительные особенности:

· 12-разр. АЦП с 5 мультиплексированными входами, частота преобразований АЦП 1 МГц

· Четыре 12-разр. ЦАП с выходами по напряжению с полным размахом (Rail-to-Rail)

· Прецизионный источник опорного напряжения (2,5В±10 мВ)

· Ядро микроконтроллера ARM7TDMI с производительностью 45 млн. операций в сек.

· 62 кбайт внутрисхемно перепрограммируемой флэш-памяти программ/данных

· 8 кбайт статического ОЗУ

· Последовательные порты: УАПП, SPI и два I²C

· Компаратор, матрица программируемой логики (PLA), супервизор питания (PSM), сброс при подаче питания (POR), гибкое конфигурирование блока синхронизации, гибкие режимы уменьшения энергопотребления

· Внутрисистемное последовательное программирование

· Внутрисистемная JTAG-эмуляция

· 14 линий универсального ввода-вывода

Устройство тактируется от встроенного генератора с синтезатором частоты с ФАПЧ (PLL), который генерирует тактовые импульсы с частотой до 45 МГц. Этот тактовый сигнал проходит через программируемый делитель частоты, с выхода которого тактовая частота поступает на ядро процессора. В микросхеме применено микропроцессорное ядро ARM7TDMI, 16/32-разрядный RISC процессор, обеспечивающий пиковую производительность до 45 миллионов операций в секунду (MIPS). На кристалле имеется 62 kB энергонезависимой

флэш/ЕЕ памяти, а также 8 kB статического ОЗУ (SRAM). Для ядра ARM7TDMI вся память и регистры доступны в одном линейном пространстве памяти.

Встроенное программное обеспечение поддерживает внутрисхемную последовательную загрузку через порты последовательных интерфейсов UART и JTAG, при этом через интерфейс JTAG можно осуществлять эмуляцию.

Данные микроконтроллеры работают при напряжении питания 2,7 … 3,6 В и их параметры нормированы для индустриального температурного диапазона -40°C... 125°C. При работе на частоте 45 МГц рассеиваемая мощность составляет 150 мВт.

5.2 Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав ADuC7020 - это быстродействующий, многоканальный 12-разрядный АЦП. Он работает при напряжении питания 2.7...3.6 В и обеспечивает производительность до 1 миллиона отсчетов в секунду (1 MSPS) при тактовой частоте 45 МГц. В блок АЦП входят многоканальный мультиплексор, дифференциальное устройство выборки-хранения, встроенный источник опорного напряжения (ИОН) и собственно АЦП.

Преобразователь представляет собой 12-разрядный АЦП последовательного приближения на основе двух ЦАП на переключаемых конденсаторах. АЦП может работать в одном из трех различных режимов, в зависимости от заданной конфигурации:

* полностью дифференциальный режим - для слабых дифференциальных сигналов;

* однополярный режим - для любых однополярных сигналов

* псевдодифференциальный режим - для любых однополярных сигналов, но при этом обеспечивается преимущество - подавление синфазного сигнала псевдодифференциальным входом.

Данный преобразователь работает с аналоговым сигналом в диапазоне от 0 до VREF при работе в однополярном или псевдодифференциальном режиме. В полностью дифференциальном режиме синфазное напряжение VCM входного сигнала должно находиться в диапазоне 0...AVDD и амплитуда входного сигнала не должна превышать 2·VREF.

На кристалле имеется прецизионный, высокостабильный источник опорного напряжения (ИОН) напряжением 2.5 В. С помощью программы запускается режим одиночного или непрерывного преобразования. Кроме того, для запуска аналого-цифрового преобразования может быть использован сигнал на входе CONVSTART, выходной сигнал встроенной в кристалл программируемой логической матрицы (PLA), а также сигнал переполнения таймера Timer1 или Timer2.

В псевдодифференциальном или однополярном режиме входной сигнал находится в диапазоне 0...VREF. Выходной код в псевдодифференциальном или однополярном режиме - прямой двоичный код, единица младшего разряда (LSB) соответствует 1 LSB = FS/4096 или 2.5 В/4096 = 0.61 мВ = 610 мкВ при опорном напряжении VREF = 2.5 В. В идеале характеристика преобразования проходит через точки 1/2 LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs, . . ., FS-3/2 LSB. В полностью дифференциальном режиме амплитуда дифференциального сигнала представляет собой разность между величинами сигналов на входах VIN+ и VIN- (то есть VIN+ - VIN-). Максимальный размах дифференциального сигнала таким образом составляет величину от -VREF до + VREF (то есть 2·VREF). Это без учета синфазного сигнала (common mode, CM). Синфазный сигнал является средним двух сигналов, т.е. (VIN+ + VIN-)/2 и таким образом синфазный сигнал - это уровень, относительно которого изменяются два входных сигнала. Поэтому пределы изменения сигнала на каждом входе определяются величиной CM ± VREF/2.

Синфазное напряжение устанавливается с помощью внешних цепей и его диапазон зависит от величины VREF. В полностью дифференциальном режиме аналоговый сигнал преобразуется в дополнительный цифровой код с величиной 1 LSB = 2·VREF/4096 или 2·2,5 V/4096 =1,22 мВ при VREF = 2,5 В. В идеале характеристика преобразования проходит через точки 1/2 LSB, 3/2LSBs, 5/2LSBs, ..., FS-3/2 LSB.

5.3 Цифро-аналоговый преобразователь

В микросхеме ADuC7020 имеется четыре 12-разрядных ЦАП с выходом напряжения. Каждый ЦАП обладает выходным буфером с полным диапазоном

напряжения (rail-to-rail) и способным работать на нагрузку 5 кОм/100 пФ. Буферы можно отключить.

ЦАП может работать в трех диапазонах выходного сигнала: 0...VREF (при работе с внутренним ИОН 2.5 В),0...DACREF (вывод 56) и 0...AVDD. К выводу DACREF подключается внешний опорный источник. Диапазон сигнала на этом входе может составлять от 0 до AVDD.

Каждый ЦАП управляется независимо при помощи регистра управления и регистра данных. Эти регистры одинаковы у всех четырех.

Структура ЦАП представляет собой цепочку резисторов (string DAC) с буферным усилителем на выходе. ИОН для каждого ЦАП может выбираться пользователем программно. Это может быть AVDD, VREF или DACREF. В режиме 0-AVDD сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до

напряжения питания на выводе AVDD. В режиме 0-DACREF сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения на выводе DACREF. В режиме 0-VREF сигнал на выходе ЦАП изменяется в диапазоне от 0 до напряжения внутреннего ИОН VREF = 2.5 В. Буфер на выходе ЦАП обладает rail-to-rail выходом. Это означает что при отсутствии нагрузки сигнал на выходе может приближаться ближе чем на 5 мВ к напряжениям питания (AGND и AVDD). Более того,параметры, характеризующие линейность ЦАП (при нагрузке 5 кОм) гарантированы для всего диапазона кода, за исключением диапазонов кода 0...100 и (если только АЦП работает в диапазоне 0-AVDD) для кодов 3995...4095. Чтобы уменьшить эффект насыщения выходного усилителя на конечных участках характеристики и уменьшить погрешности смещения и усиления можно отключить внутренний буфер с помощью управляющего регистра ЦАП. Это позволит получить полный диапазон сигнала на выходе ЦАП (rail-to-rail), и этот сигнал затем должен быть буферирован с помощью внешней схемы на усилителе с биполярным питанием с целью получить rail-to-rail сигнал на выходе [11,13].

6. СТРУКТУРА АСУТП

6.1 Назначение системы

Разрабатываемая АСУТП представляет собой комплекс автоматизированного контроля и управления электромагнитными помехами на объектах.

Система должна выполнять следующие функции:

· сбор, обработку и хранение архивных данных;

· представление технологической информации в удобном для оперативного персонала виде;

· регистрация событий и ведение журнала тревог;

· обеспечение возможности калибровки измерительных датчиков;

· обеспечение возможности постепенной модернизации и усложнения системы за счёт введения новых аппаратных и программных модулей.

6.2 Архитектура системы

Входной формирователь выделяет полезный сигнал из сигнала первичного преобразователя и формирует прямоугольные импульсы.

Входной формирователь состоит из входного повторителя, фильтра нижних частот, порогового элемента.

Сигнал с первичного преобразователя поступает на входной повторитель, далее на фильтр нижних частот с частотой среза 35 Гц. Пороговый элемент преобразует синусоидально изменяющееся напряжение в прямоугольные импульсы и ограничивает их сверху и снизу на логических уровнях.



Генератор импульсов состоит из задающего генератора и счётчика. Задающим генератором задаётся исходная частота прямоугольных импульсов, равная 32768 Гц. С выхода счётчика снимаются импульсные сигналы частотой 1024; 512; 64 Гц, используемые в различных устройствах прибора.

Управляемый делитель частоты используется, как делитель частоты с переключаемым коэффициентом деления. Подключая входы, элементы сравнения к выходам соответствующих разрядов делителя, можно получить любой коэффициент деления от 1 до 9999 и соответственно время цикла измерения от 1/64 сек. до 156 сек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была синтезирована АСУТП, которая осуществляет дискретное контроль электромагнитных помех на электроэнергетических объектах. По заданным параметрам ОУ путём моделирования были определены параметры настройки ПИ-регулятора, который обеспечивает необходимую точность регулирования и качество отработки входных воздействий. Используя алгоритмы первичной обработки, исследовалось влияние их параметров на характеристики сигнала с датчиков. Исходя из условия величины погрешности вычисления кода управления, были рассчитаны разрядности элементов ЦУУ (АЦП, ЦАП и АЛУ микроконтроллера) и произведен выбор комплекса технических средств.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 50397-92. Совместность технических средств электромагнитная. Термины и определения Текст. М.: Изд-во стандартов, 1993.-14 с.

2. Электротехника. Терминология Текст.: справоч. пособ- вып. 3. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 343 с.

3. Энергетический баланс. Терминология Текст. вып. 86. - М.: Наука, 1973.-32 с.

4. Шваб А. Электромагнитная совместимость Текст./ А.А. Шваб; под ред. И.П. Кужекина; пер. с нем. В.Д. Мазина и С.А. Спектора. 2-е изд., перераб. и доп. - М.; Энергоатомиздат, 1998. - 460 с.

5. Иванова Е.В. Кондуктивные электромагнитные помехи в сетях 6-10 кВ Текст./ Е.В. Иванова, А.А. Руппель; под ред. В.П. Горелова. Омск: Изд-во Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. - 284 с.

6. Иванова Е.В. Кондуктивные коммутационные помехи в местных электрических сетях промышленных предприятий и электростанций Текст./ Е.В. Иванова// Промышленная энергетика. 2003. - № 7. - С.36-40.

7. Иванова Е.В. Кондуктивные электромагнитные помехи в электроэнергетических системах Текст./ Е.В. Иванова; под ред. В.П. Горелова, Н.Н. Лизалека. Новосибирск: Новосиб. гос.акад. вод. трансп., 2006. - 432 с.

8. Кучумов JI.А. Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов Текст./ Л.А. Кучумов, А.А. Кузнецов, М.В. Сапунов// Новости Электротехники. 2004. - № 4. - С.64-66.

9. Кучумов Л.А. Доказано: в электрических сетях существуют высшие гармоники с частотами свыше 2 кГц Текст./ Л.А. Кучумов, А.А. Кузнецов, М.В. Сапунов// Новости Электротехники. 2005. - № 2. - С.56-59.

10. Железко Ю.С. Присоединение потребителей к электрическим сетям общего назначения и договорные условия в части качества электроэнергии Текст./ Ю.С. Железко// Промышленная энергетика. 2003. - № 6. - С. 11-14.

11. . Иванова Е.В. Кондуктивные электромагнитные помехи в сетях транспортных систем (теория, расчет, подавление) Текст./ Е.В. Иванова// Трансп. дело России. -2006. № 8. - С. 16-20.

12. Иванова Е.В. Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии Текст.: под ред. МЛ. Басалыгина, В.С. Копырина/ Е.В. Иванова, И.Я. Браславский, Ф.Н. Сарапутов [и др.] М.: Металлургия, 1991. - 384 с.