西门子模块6ES7512-1SK01-0AB0安装调试
1 引言
近年来，随着我国经济的快速发展，人们的生活水平得到了大幅度提高，从而使大量大功率家用电器涌入各个家庭。这样就导致电能量消耗大大增加。虽然现在电力部门对用户实行分时计量，引导用户有效，合理，均衡地利用电能，避免尖峰负荷的出现，提高系统的负荷率，来达到电网经济运行的目的。但是效果不是太理想。本文提出，基于对电网负荷控制的研究，通过智能电力负荷检测系统，及时准确的向总站发送电网实时的电流，电压，功率，有功电能，无功电能，功率因数等量的值，从而使总站可以及时掌握电网实时的运行状态，达到用户有效，合理，均衡地利用电能的目的，保证了电网经济的运行。
2 硬件电路设计
2.1 负荷检测系统设计结构图
该智能电力负荷检测系统原理图如结构框图1所示。系统由电源模块，负荷检测模块，通信电路模块，mcu及其它部分电路四大部分组成。该系统直接从交流220v电网中取电，经一路输入三路输出的变压器将交流220v变为三路交流9v，再经过三个三端稳压器，将9v交流降为5v直流电源供给各个模块。其中负荷检测电路模块是重要的，它是该系统决定电网检测准确度的关键。mcu电路模块是整个电路的灵魂，是实现对各种信息的处理和控制的重要部分。rs485通信部分和zigbee无线通信部分是系统和外界联系的通道。负荷检测部分对电网进行实时检测，把得到的电网信息传给单片机，接着单片机对得到的信息进行处理并存储到系统中的铁电存储器中，后上位机时可通过rs485总线或zigbee无线通信组成的无线网络把处理的信息加上此时的时间或温度等信息从单片机中读出。
图1 结构框图
2.2 cs5463简介
cs5463是cirrus logic公司的推出的单相高精度多功能电能计量芯片。它内部可分为模拟部分和数字部分两部分，并且这两部分需要单独供电。cs5463能测电压有效值，电流有效值，有功电能，功率因数，无功电能，市电的频率，瞬时电压，瞬时电流，瞬时功率等一些数据。cs5463是一个包含两个可编程增溢放大器，两个∑－△模数转换器，高速滤波器，功率计算功能，电能到频率转换器和一个串行spi接口的完整的功率测量芯片。 cs5463提供一个片上2.5v的基准电压，在1000:1的动态范围内它转换的电能数据的线性度为±0.1%。当芯片的模拟部分和数字部分同为5v供电时，它的总功耗小于12mw。它可以**测量电压，电流的瞬时值和有效值(irms，vrms)，瞬时功率，有功功率，无功功率，功率因数，基波的有功和无功功率，谐波的有功和电网电的频率。cs5463可使用低成本的分流器或电流互感器来测电流，可用分压电阻或电压互感器来测电压。它具有以下模块：可以和mcu双向通信的spi串口模块，可编程的电能-脉冲输出功能模块，还有方便的片上系统校准功能模块，温度传感器模块，低电压检测模块，相位补偿模块和看门狗模块等。
cs5463的数字部分和模拟部分可共用一个+5v电源,它的电流通道有效值输入范围可选为30mv或150mv，电压通道有效值输入范围为150mv。cs5463将按配置寄存器和周期计数寄存器中设定的速度进行采样，每个计数周期后，cs5463将电流，电压有效值，有功电能和无功电能的值以相对满量程的百分比的24位有符号或无符号数据的形式输出。
cs5463的外围电路很很简单，它内部有多个寄存器，如功率寄存器，电压电流增益寄存器，直流电压电流偏移寄存器，交流电压电流偏移寄存器,配置寄存器等一些寄存器，通过设置这些寄存器可以进行自动校准，进行各种参数的调整。
2.3 负荷检测系统的数据采集端接口电路
负荷检测系统电压通道和电流通道接口电路如图2所示。cs5463有两路模拟量输入通道，分别是电压通道和电流通道。电压通道和电流通道大可加250mv的差分信号。电流信号通过锰铜分流器输入，此时电流通道的输入范围一定要通过设定其内部的寄存器选择“×50mv”档。在锰铜分流器上产生的差分电压通过后面r1和c1，r2和c2组成的低通滤波器，以去除其中的高频干扰，后再进入cs5463中进行运算。在这个电路中，锰铜分流器在低频时可以被当做纯阻性元件来使用，而不是电抗元件。但在实际的负荷检测系统的应用中，在一些情况下，分流器会产生很小的寄生电感，这些小的电感会对检测结果带来不好的影响。当锰铜分流器的阻值非常低时(约200uω数量级)，它带来的**影响将会变得很明显。
图2 负荷检测系统电压通道和电流通道接口电路
电压通道信号通过电阻分压网络输入。当电压加载到电阻网络上时，先通过r3和r4构成的分压电路得到一个小电压，再通过r5和c3，r4和c4组成的rc低通滤波电路，把得到的小电压信号中的高频干扰滤去，后进入芯片中进行运算。为了保证精度，电压采样电阻全部采用高稳定度的精密电阻，误差为25ppm。
2.4 与单片机接口电路
本系统采用的是nec公司的具有80个引脚的8位单片机uc78f0485，内部有64k rom，1024bytes高速ram，内部两个串行通信(urat6和urat0)口，一个内嵌的lcd驱动器，一个实时时钟模块(rtc)，一个spi通信模块(和uart6复用)。一个16位的定时器，3个8位定时器/事件计数器，3个8位定时器，具有超大的资源。
cs5463与单片机uc78f0485间的通信电路是电力负荷检测系统的重要组成部分。cs5463实时检测电网，将得到的有功功率，无功功率，功率因数，视在功率，电压，电流等值通过其spi串口输出，再通过光耦到单片机，单片机对接收到的数据进行处理，后通过485总线或zigbee无线通信组成的无线网络传到上位机。在该系统中，为了保证电路安全工作，cs5463和单片机间一定要用光耦隔离。为了保证cs5463和单片机间的通信质量和该系统能对上位机所发出的命令响应实的响应性，好选用高速光耦。在该系统的设计中选用的是在电路设计中比较常用的6n137高速光耦，该高速光耦的大通信速率可达10mbps，正常工作时光耦前端的导通电流大于7ma。注意：高速光耦正常工作时前端发光二极管的导通电流值可能会大于单片机i/o口所能输出电流的大值，好在光耦的输入端加一个三极管驱动电路，以增大光耦的输入电流。
3 负荷检测系统软件设计
电力负荷检测系统程序结构流程图如图3所示。电力负荷检测系统的软件设计主要是进行测量数据的处理，电能的累加，大需量的计算及产生的时间，异常情况的判断及处理。程序主要包括通过spi串口对cs5463进行配置，对cs5463内部数据的进行读写和处理，对cs5463进行校准，单片机通过rs485总线或zigbee无线通信和上位机进行通信。程序流程图如图3，系统采用主从式的设计，单片机实时的采集电网数据，并对处理后的数据进行保存。当上位机要电网上的数据时，就通过rs485总线或zigbee无线通信网络向单片机发出读写命令，单片机查询数据所需数据并通过rs485总线或zigbee无线通信网络返回上位机所需要的数据。
图3 负荷检测系统程序流程结构图
4 系统校准及技术关键
4.1 系统校准
cs546提供片上数字校准功能，用户可通过写指定的值到cs5463校准寄存器中就可实现不同的校准功能。它有两种不同类型的校准：系统偏置校准和系统增溢校准。偏移校准又分直流偏移校准和交流偏移校准。当执行特定的校准命令时，就要加相应的校准信号到电流电压通道的输入端。每个通道要按dc offset－ac(dc)gain－ac offset这个顺序进行，校准电压通道时，电流通道始终加大电流，校准电流通道时，电压通道始终加额定电压(220v)。校准时，好要用高精度的校准台。校准后，可将得到的确定的电流和电压偏移寄存器，电流和电压增溢寄存器和包括含有相位补偿的配置寄存器中的值定义为const形式的变量存在单片的程序存储区，在系统掉电或复位后，可把上面所定义的const形式的变量的值重新写入cs5463中对应的寄存器中。
4.2 技术关键
(1) 当cs5463在上电时，它的数字电源不能高于模拟电源，并且模拟电源的上电时间要先于数字电源。
(2) 不能同时使用cs5463电流和电压通道的高通滤波器。若两个通道都用高通滤波器，则没有办法确定电压和电流的相位关系。
(3) 若读写cs5463时，发现读出的数据为0或全是0xff，这时称为spi串口“死掉”了，此时要对cs5463复位或降低串口spi的读写速度。
(4) 增溢校准时，加在电流或电压通道的信号不能太大，若信号太大影响大电流或大电压的测量，太小则会影响小电流或小电压的测量。
(5) 在电流通道使用锰铜分流器时，此时当电流通道进行电流增溢校准时，锰铜分流器两端的电压有效值好在18mv－22mv。当电压通道进行电压增溢校准时，加在电压通道的电压的有效值好在100mv－120mv之间。
(6) 在元器件的布局上，一定要注意强弱电信号分开。
(7) 晶振是高频元件，在它的信号线附近一定要铺大面积的地，不要有其它的信号线从布的地中通过。
(8) 布线时，模拟部分的走线一定要短。在数字部分，为了保证光耦的通信质量，尽量不要在光耦下走线。
p03054阀门组dcs组态
2 p03054阀门中压控制原理
2.1“a”阀的调节原理
中压蒸汽管网压力的主要稳定手段是由“a”阀调节高压至中压的减压量。“a”阀为fo式。中压管网检测点的压力在pic-03054量程的0~50%时，高压的蒸汽全部有p03054“a”阀来实现减压，输送到中压管网。“a”阀的开度0~对应与pic—03054输出的50%~0。由函数fa(x)处理。函数fa(x)如图2。
图2 fa(x)函数
2.2 “b”阀的调节原理
中压蒸汽管网压力稳定的手段之二，是由“b”阀来调节中压蒸汽的放空量。“b”阀为fc式。其开度取决于pic—03054与pic—03154两个调节器输出值高选控制(pic-03054与pic—03154检测点为同一个点，只是经过了不同的运算后由两个调节器输出)。正常时，为节约蒸汽“b”阀由pic—03054分程控制，其开度0~对应于pic-03054输出的75~，由fb(x)函数；特殊情况下，当pic—03154 的输出大于分程后的pic-03054的输出时，“b”阀由pic-03154直接控制。fb(x)函数如图3。
图3 fb(x)函数
2.3 “c”阀的调节原理
中压管网压力的稳定手段之三是由“c”阀来调节co2压缩机透平负荷量。“c”阀为fc式，其开度0~对应于pic-03054输出的0~25%，由fc(x)函数处理。正常情况下为全开。fc(x)函数如图4。
图4 fc(x)函数
2.4 “ab”阀的调节原理
“ab”阀是p03054“a”阀的跟踪阀，也称为子母阀。它是两个调节阀共同控制一个点，大阀起主要作用，小阀起辅助作用调节和平衡大阀阀芯上下侧压力作用。“ab”阀设置了使其阀位随流过85mt01的蒸汽量成对应关系的仪表及有关运算式，从而：
(1)“ab”阀的开度可大于“a”阀的开度，实际减压阀开度由“a”阀的开度决定；
(2)“ab”阀的开度可小于“a”阀的开度，实际减压阀开度由“ab”阀的开度决定。
即，要想增加减压站的蒸汽量，必须先增加“ab”阀的开度后增加“a”阀的开度，以利于调整“a”阀。减蒸汽量时，可只减“ab”阀的开度，但好是“a”阀，“ab”阀同时减小开度，这样可以容易地进行控制操作。
如果85mt01跳车时，为了高中压蒸汽管网大限度地稳定，我们设置了在连锁执行功能3秒之内，“a”阀的执行器的电磁阀失电致使“a”阀快速等于“ab”阀的开度，使流经m85t01的高压蒸汽等效由“a”阀减压到中压管网。
3 阀门组故障处理
3.1 阀门指示偏高或偏低
故障原因：
(1) 是否零点或量程不符和实际要求；
(2) 是否是气源压力过高或是过低；
(3) 阀是否卡色；
(4) 定位器喷嘴是否有赃物。
处理办法：和故障原因向对应
(1) 从实际要求出发，从新调整零点或量程；
(2) 根据实际要求，用增压减压阀可直接调节气源压力的大小；
(3) 阀卡涩可加润滑油；
(4) **赃物。
3.2 阀门不动作
故障原因：
(1) 气源是否正常；
(2) i/p输出是否正常；
(3) 定位器是否有输出；
(4) 膜头内是否有结冰或膜片漏气。
处理办法：和故障原因向对应
(1) 根据实际要求，用增压减压阀可直接调节气源压力的大小；
(2) i/p输出不正常，可在控制室检查卡件、安全栅及端子排的接线，必要时还可以调整p、i、d参数；
(3) 见故障6；
(4) 如果膜头内是否有结冰，可如果膜片漏气，可更换膜片。
3.3 阀门波动
故障原因：
1) 反馈杆是否松动；
2) i/p输出是否通畅；
3) 阀是否干涩；
4) 定位器输出是否波动；
5) 信号线是否松动。
处理办法：和故障原因向对应
(1) 把反馈杆紧固；
(2) 如果dcs控制信号没有过来，可在控制室检查卡件、安全栅及端子排的接线；
(3) 加润滑油，让阀多动作几次；
(4) 把信号线拧紧。
3.3 阀门关不死
故障原因：
1) 先停气源，看气源是否能关死；
2) 查阀是否卡涩；
3) 阀杆是否过短；
4) 阀座内是否有赃物。
处理办法：和故障原因向对应
(1) 如果关不死，从新调校气源；
(2) 加润滑油，让阀多动作几次；
(3) 根据实际要求增加阀杆长度；
(4) 清理阀座内脏物。
3.5 阀门回差大
故障原因：
(1) 定位器输出是否不稳定；
(2) 零点或量程是否不符合实际要求。
处理办法：和故障原因向对应
(1) 见故障6；
(2) 根据实际要求，从新调整零点或量程。
3.6 阀门定位器运行不正常
故障原因：有三种情况：
种情况：有信号，无输出：
(1) 放大器恒节流孔是否阻塞；
(2) 喷嘴及背压管是否有赃物。
第二种情况：无信号，有输出：
(1)放大球是否卡死；
(2) 喷嘴与挡板是否关不严。
第三种情况：输出压力缓慢或不正常：
(1) 转动部分是否卡死；
(2) 放大器球阀受赃物影响是否关不严；
(3) 输入或输出管道是否漏气；
(4) 调节阀膜头是否漏气。
处理办法：和故障原因向对应 ：
●种情况：
(1) 检查清洗恒节流孔；
(2) 检查喷嘴及背压管路，吹净。
●第二种情况：
(1) 检查、清洗放大器；
(2) 调整喷嘴位置。
●第三种情况：
(1) 消除卡死原因，并加表润滑油；
(2) 检查、清洗放大器；
(3) 检查气路密封性，消除漏气；
(4) 检查膜室，更换膜片。
4 阀门运行
4.1 阀门日常管理
这些阀门已经在我厂运行了20多年了，随着阀门的老化故障的增多，我们如何维护来保证阀门正常运行。我总结了以下四个方面：
调节阀采用石墨—石棉为填料，大约三个月应在填料上添加一次润滑油，以保证阀的灵活好用。如发现填料压帽压的很低，则应补充填料。应在巡回检查中注意调节阀的运行情况，检查阀位指示器和调节器输出是否吻合：有定位器的调节阀要经常检查气源，发现问题及时处理。应经常保持调节阀的卫生及各阀完整好用。
4.2 普通阀门调校
调校 “b”阀和“c”阀时，和调校普通的阀一样。既拆下信号线，用仿真仪直接加4~20ma信号，先4ma、8ma、12ma、16ma、20ma依次加信号，查看阀的开度是否依次为量程的0，25%，50%，75%，，并记录原始值。然后调校零点，量程和中间点，将其五个点校准后恢复接线。
4.3 组合阀门调校
因为“a”阀和“ab”阀是子母阀，在给“ab”阀输入4~10 m a信号时，现场“ab”阀的阀位对应为0~(即依次输入4ma、5.5ma、7ma、8.5ma、10ma时，其开度是否依次对应为0，25%，50%，75%，)；在给“a”阀输入8~20m a信号时，现场“a”阀的阀位对应就是0~(即依次输入8ma、11ma、14ma、17ma、20ma时，其开度是否依次对应为0，25%，50%，75%，)。在调校子母阀的时候应该遵循以下步骤：
(1)“ab”阀全开，调校主阀“a”阀(“ab”阀全关时，“a”阀无论加多少信号都无反映无动作，因为“ab”阀限制它的开度)；
(2)“a”阀全关，调校“ab”阀；
(3)在连动校验时，将“a”阀全开，改变“ab”阀的阀位，“a”阀随“ab”阀动作。
校完阀后，阀可能会喘，这种情况可能是因为定位器盖的排气孔堵了，把定位器盖打开后即可恢复。
5 结束语
p03054是高压到中压的自动减压站，通过四个所带阀来实现中压管网的设定压力，并保证了中压管网压力稳定。但是随着阀门老龄化，会经常出现各种问题，我们应该在及时处理问题的同时，应该加强日常维护，来保证阀门正常运转，保证安全和稳定生产的进行。