星三角降压启动电气线路检测系统开发

燕秀秀，乔 倩

(山西工程职业学院,山西 太原 030009)

0 引言

星三角降压启动控制电机实训有助于培养学生的动手能力和逻辑思维能力[1],然而目前在各高校的星三角降压启动控制电机实训中,通常有以下几个缺点,首先,电工实操训练过程中经常遇到线路连接错误,排查纠错有一定的困难,在传统的教师面授形式下,只能依靠老师一个一个解决,这样会浪费大量时间,出现“接线十分钟,排查一小时”的现象。其次,电工实操训练往往需要反复练习,很容易造成接触器的触点损坏,一旦触点损坏,接触器报废,造成实训的成本浪费。最后,电工实操训练经常需要380 V甚至更高的高压电带电操作,使得学生在实操训练面临巨大危险。

基于这一实际问题,研究并开发了一套基于STM32的星三角降压启动的智能电气线路检测系统。在实际运用当中,可以及时检测出线路连接的错误,并且通过语音报警系统和可视化直观界面方式将其连接错误的接线报告给使用者,降低了元器件的损坏率,能够培养学生具有电气试验的基本能力,为今后从事变电运行、变电检修和电气试验工作打下一定的基础;另一方面极大的方便了电气实训教师在电机线路检测与教学工作上的便利。同时,它的准确性高,检测速度快,代替了传统的教师检测,更加的高效便捷,减少了师资力量的投入,也极大的保障了学生的人身安全。

1 总体设计

“智能电气线路检测系统”以星三角降压启动控制电机为载体,星三角降压启动控制电机原理图如下。考虑到电动机需要保证可靠性,而自耦变压器降压启动、延边三角形降压启动等启动方式较复杂且易出现故障,所以大功率的电机通常采用星三角降压启动[2]。

在星三角降压启动控制电机实训教学中,需要通电380 V高电压控制电机正反转,高电压操作本身也存在用电安全的高风险。运用STM32嵌入式系统设计一套智能电气线路检测系统,对电机控制系统的接触器触点进行检测,并用继电器对强弱电进行隔离,通过智能交互屏显示检测线路是否正确,同时语音播放系统会提示怎样对接线错误的线路进行修改。在保证安全的同时节省大量时间,让学习者在有限的时间内可以进行多次反复电路接线实操训练,达到熟记操作流程、巩固操作规范的目标。

2 实施方案

2.1 主要器件选择

STM32F系列控制器属于中低端的32位ARM微控制器,该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品,其内核是Cortex-M3。STM32F103ZET6 Cortex-M3芯具有72 MHz CPU的速度和高达1 MB的闪存。STM32系列ARM Cortex-M3 32位闪存微控制器工作时具有低功率、低电压,并结合了实时功能的极佳性能,具有更好的编码密度,对中断更快的反应。相对主流使用的STC15系列单片机STC15W4K32S4对比,特性如表1所示。故选用STM32嵌入式系统作为智能电气线路检测系统的核心控制模块。

表1 STM32F103与STC15W4K32S4性能对比表

显示屏选用智能交互屏TJC1060X5A1_011R_I,屏幕大小为10.1寸,主控频率为200 MHz,flash容量为128 M,运行内存为512 k,工作电压4.65～6.5 V。采用字符串指令,字符串指令比十六进制指令更方便开发,能够提升工作效率,使用字符串指令的源代码更易解读,而且可以支持使用“C语言”指令,相对同类产品使用“汇编”指令,C语言指令比汇编语言更易读写,开发更方便。尤其它自带的语音系统,可以将接线错误的线段语音提示出来,极大扩展用户的功能。

2.2 设计制作

该系统整体设计包含以下几个功能:

1) 线路检测功能:对星三角降压启动电机控制系统的接触器触点进行检测,通过继电器返回的状态来判段各接线线路是否正确。

2) 语音提醒功能;通过语音播报系统提示错误信息,对线路进行修改。

3) 可视化功能:通过智能显示屏直观显示错误信息,方便接线错误线路定位,并给出修改意见。

图2为智能电气线路检测系统组成结构图,主要包括STM32F103单片机、TJC1060X5A1智能交互屏、继电器检测系统、电机控制系统四部分。

其中单片机作为核心模块负责对继电器检测系统的接触器触点进行检测,与智能交互屏进行串口通信;智能交互屏以可视化方式反馈连线结果是否正确,并给出建议,同时语音报警指示系统提示怎样对线路进行修改;继电器检测模块主要用于强电弱电隔离设计,电机的运行需要380 V高压,一旦接错极容易对人体造成伤害,也容易直接损坏交流继电器,因此采用继电器进行强弱电隔离,即用小电流控制继电器,只有在接线正确的情况下,继电器才能闭合,允许380 V高压电接通,否则380 V高压电不会导通,从而不会对交流继电器造成损坏和造成人身伤害,图3为智能电气线路检测系统继电器系统设计实物图,将接触器的触点连接到端子排上,这样只需对端子排进行接线操作,避免损坏接触器触点;电机控制部分包括电机的正反转两个部分。

单片机要对各处接线连线段进行检测判断,并将要显示的内容通过串口发送给智能交互屏,单片机使用Keil软件并运用C语言开发,采用115 200 HZ的频率与智能屏进行串行通信。检测中首先继电器检测系统进行吸合,单片机通过GPIO口读取各连线段继电器的状态判断,若读回数据为1,则认定该段接线正确,否则认定该段接线错误。若某段接线正确,发送给智能屏对应段接线结果“测试通过”,并将该原理图图片的路径(该图片标记出正在判断的对应线路)发送给智能屏,智能屏按照指定路径加载并显示;否则,发送该段错误的信息,并给出修改建议。在检测接线过程中,顺序化依次检测每段接线结果。根据原理图图1,需要检测的接线线段包括9段,分别为L3-FU2、FU2-SB1、SB1-SB2、SB1-KM2NC、KM2NC-KM1、SB2-KM1NC、KM1NC-KM2、KM1/2-FU2、FU2-L2。若有连线错误,断电进行修改,该系统支持重复检测,直至接线全部正确,此时显示屏显示“可以进行通电试车”,此刻就可以进行高电压通电控制电机正反转。

图1 星三角降压启动控制电机原理图

图2 智能电气线路检测系统组成结构图

图3 智能电气线路检测系统继电器检测系统设计实物图

图4 智能交互屏语音播报设置图

使用开发软件USART HMI对智能交互屏进行设计开发,可以通过以下方式实现语音播放功能,打开USART HMI软件;选择左上角工具选项视频/音频转换;在打开的对话框中切换左上角选项为音频转换,并选择open按钮选择音频源文件;设置目标音频参数(如下图所示);点击右下角开始转换按钮,输入视频名称开始转换生成wav格式文件,即语音错误提醒文件,通过判断不同的错误类型,加载对应的语音提醒文件播报连线错误。

2.3 测试过程

星三角降压启动的智能电气线路检测系统在接入220 V家用电之后,通过智能交互屏进入检测界面进行检测。在测试过程中,可以不接其中任意两条接线段(比如KM2NC-KM1、KM1NC-KM2),观察智能交互屏显示界面和语音报警是否能够正确判断和定位错误接线;接下来将9段接线段正确连接,观察各接线段是否能正常通过测试,从而实现星三角降压启动的电气线路检测。

2.4 测试结果

在测试结果中,可以看到智能显示屏能够正确显示接线错误的线段,并且采用红字字体给出直观结果(KM2NC-KM1、KM1NC-KM2接线段错误),提醒建议检测电气互锁的连接,并进行了正确的语音提醒。断电后,进行对应接线段的重新连接后再次上电,测试全部通过。两次检测显示结果如图5,该系统能够准确且稳定的运行。

图5 智能电气线路检测系统测试结果图

3 总结与应用

本文结合电气自动化专业实训的实际需求,以STM32F103ZET6为核心芯片,搭配智能交互屏、继电器检测系统、模拟电机控制系统等,设计了一款星三角降压启动的智能电气线路检测系统,能够有效解决以往教学中电机380 V通电高风险、接线检测调试无从下手、难以反复规范操作等问题,主要优点有以下几方面:

1) 可以在不带电的情况下测试线路是否合格,降低带电测试风险;

2) 可辅助学习者快速、精准对电机接线进行不通电测试,替代教学人员繁琐的人工检查、纠错,提高了实训质量和学习效率;

3) 人机交互模式增加智能检测的时效性,减低了实训、学习难度,便于学习者入门和接受;

4) 在保证人身安全的情况下支持多次反复的训练,减少对元器件的损坏,大大节约了成本。

该系统同时也可应用于:电工职业资格认证线下实训、电气自动化以及工业过程控制等专业日常教学实训。