西门子6ES7241-1AA22-0XA0规格齐全

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   一、引言

   CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行数据通信协议，它是一种多主总线，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据；CAN采用非破坏性位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。

   CAN上的节点数实际可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，直接通信距离*远可达10km（传输速率为5kbps）；*高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。CAN协议的一个*大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，CAN数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错。可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

   CAN总线具有较强的纠错能力，每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，有效地降低了数据的错误率。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭的功能，使总线上其它节点不受影响。支持差分收发，因而适合高干扰环境。

   我们设计的一种CAN总线主从通信控制系统如图1所示，该控制系统采用内外两层隔离控制形式，主控台向主CAN网络发送指令和数据，通过主从通信模块与从CAN网络中的节点通信，对分系统控制单位进行数据采集和控制。此系统使CAN总线的节点数增加了n倍；CAN总线的传输速率和通信距离大幅度的提高；抗干扰能力也大幅度的增强。

   本文讨论的是CAN总线主从通信控制系统中主从通信模块的硬件、软件设计及实现方法。主从通信模块实现了主控台和从控制单元之间CAN网络数据通信的隔离扩展，对通信数据处理、传输和CAN网络控制有一定的借鉴作用。

   二、硬件设计

   主从通信模块控制原理框图如图2所示，核心芯片是TI公司TMS320C2000系列的适合于数字控制的一种DSP。它的单个芯片内包含了10位ADC转换器、片内flash程序存储器、事件管理器、数字输入输出I/O口等。为了便于与各种外围设备进行通信，DSP还提供了一些接口：CAN接口、串行外设接口（SPI）、串行通信接口（SCI）等。其中，SPI接口是工业标准的同步串行接口，是一种全双工、三线通信的系统。它允许DSP与各种外围设备以串行方式（可配置成1～16位数据同时、同步地被发送和接收）进行通信。在SPI接口中，数据的传输需要1个时钟信号和两条数据线。SPI可工作在主模式或从模式下。在主模式下，每一位数据的发送/接收需要1次时钟作用；而在从模式下，每一位数据都是在接收到时钟信号之后才发送/接收。

   三、SPI的工作原理

   1）SPI的信号说明

   如图2通信控制部分原理图，两片DSP芯片的SPI使用4条线直接接口：串行时钟线（SPICLK）、主片输入/从片输出数据线SPISOMI、主片输出/从片输入数据线SPISIMO和低电平有效的从片选择线SPISTE。

   SPICLK是主片的时钟线，为MISO数据的发送和接收提供同步时钟信号。每一位数据的传输都需要1次时钟作用，因而发送或接收1个字节的数据需要1～16个时钟的作用。主片的时钟是通过主片的硬件设置的，并和从片的SPICLK相连。

   MISO是主片的输入/从片的输出数据线。主片的MISO应与从片的MISO相连进行高位在前的数据交换。MOSI是SPI接口的SPI主片输出/从片输入数据脚。这一引脚应当连接主片的数据输出和从片的数据输入端MOSI，进行高位在前数据的交换。

   SPISTE只在从方式中用于低电平选中从片，对应的主片SPISTE脚被配置为I/O口作为从片的SPI片选输入脚。

   2）主模式

   发送和接收可以同时工作在主模式下。主模式的显著特征是不论是发送还是接收始终有SPICLK信号，发送操作是由向SPIDAT（或SPITXBUF）中写数据而触发的。在主模式下，时钟信号的1次作用对应一位数据的发送（M0SI）和另一位数据的接收（MISO）。如图3所示，在主片中数据从移位寄存器中自左向右发出送到从片（MOSI），同时从片中的数据自右向左发到主片（MISO），经过16位时钟周期完成1个字节的发送。输入字节保留在移位寄存器中，此时SPIINTFLAG位自动置位（如果有中断设置，则产生中断），移位寄存器的数据将被锁存到SPIRXBUF中，此后对SPIRXBUF的读操作将把数据读出。

  3）从模式

   发送和接收同时工作在从模式下。从模式的显著特征是：不论是发送还是接收始终必须在SPICLK信号作用下进行，并且SPISTE信号必须有效。当SPISTE信号无效时，数据的发送无法进行并且输入的数据视为无效。这是因为输入的时钟信号是与SPICLK的逻辑与操作，而SPICLK信号是SPISTE的反转。这样当SPISTE为高时，就没有时钟信号输入。数据的发送和接收的过程见图3所示，与主模式下基本相似，只是移位寄存器的数据移出和输入方向与之相反。

   四、软件设计

   SPI通信以一帧CAN报文5个字节为一个传送单元进行信息交换。主片控制着SPICLK信号可在任一时刻启动报文传送；从片在传送报文之前，通过口线向主片发送一个外部中断请求，请求成功后主片输出SPICLK信号来启动从片的报文传送。从片在SPI中断中接收主片传送来的报文；主片在外部中断中完成从片报文的接收。当主片和从片同时都有报文传送时，系统优先传送主片报文，然后再传送从片报文。

   1、主片发送，从片接收报文

    主片发送报文，从片接收报文软件流程图如图4所示。主片在向从片传送报文前禁止外部中断，也就是禁止从片发送报文。然后从CAN传送缓冲区取一帧报文放入SPI发送暂存器中，再从SPI发送暂存器中取一个字节的数据写到SPITXBUF寄存器中启动SPISIMO引脚上的数据发送，同时，从片响应一个SPI中断开始接收主片发送来的数据，当从片接收到一个字节后，通过口线触发主片的XINT1外部中断来告知主片数据已接收，主片响应了此XINT1外部中断后，再发送下一个字节的数据，当一帧报文传送完成后，主片将外部中断使能，以便接收报文。从片接收完报文后，置报文接收完成标志，以便CPU进行报文的处理。

   2、从片发送，主片接收报文

   从片发送报文，主片接收报文软件流程图如图5所示。从片在发送报文前，通过口线向主片发送一个XINT1外部中断，请求报文的发送，当主片响应了此中断时，发送一个伪数据（如#0FFFFh）来告知从片可以开始报文的发送，从片测试到报文请求受理标志置位后，再从CAN传送缓冲区取一帧报文放入SPI发送暂存器中，再从SPI发送暂存器中取一个字节的数据写到SPITXBUF寄存器中，通过口线向主片发送XINT1外部中断，请求主片取数据，主片在XINT1中断服务程序中监测到中断标志置位时，发送伪数据#0FFFFh（启动从片数据发送的SPICLK时钟），然后将收到的字节存入SPI接收缓冲区，从片依次将一帧报文传送完成后，清报文受理标志。主片完成一帧报文接收后，置报文接收完成标志，并退出外部中断，以便CPU进行报文的处理。

   3、关键技术的处理

    CAN总线上信息的传送都是没有规律随机的，所以用SPI口实现主从系统间信息的传递时，必须考虑当有数据正在从DSP1向DSP2传送时，应该禁止数据从DSP2向DSP1传送，反之也然。否则数据在互传过程中就会出错或丢失，影响CPU的正常工作。为了避免主从报文在发送过程中产生冲突，主片在XINT1中断服务程序中完成一帧报文的接收，从片在SPI中断服务程序中完成报文的接收。在进行报文传送时，不管是主片还是从片只有当一帧报文传送完成后，才能进行下一帧报文的传送。主、从片每发送完一个字节的数据，都有一个应答信号返回标志位（见标志位意义）的判断，以便确认数据是否完整的发送或接收。

   由于主片掌握着报文传送的时钟信号，即主动权，所以主片随时都可以进行报文的传送。从片在报文传送前，首先要确认主片此时是否传送空闲，若此时主片正在传送报文，从片等待主片将报文传送完成，再进行报文的传送；若主片正处于传送空闲状态，从片可以开始传送报文。

   五、结束语

   此CAN总线主从通信控制系统外加一些辅助控制单元（如显控单元，操作键盘等）后可作为从CAN网络的主控制器使用，在主控台CAN网络发生异常不能正常工作时，能够辅助控制分系统的运行，此项设计已经在控制系统中得到了应用。

RCD剩余电流漏电保护器的理论依据；故障电流“剩余原则”；使用“末级保护原则”；“运行管理、质量跟踪”原则；RCD使用者的技术误区。

   关键词：基尔霍夫电流定律；安培环路定律；剩余电流互感器；RCD的技术误区。
一、概述
关于RCD剩余电流漏电保护器有很多论述，其关键词归纳如下：
RCD作用的局限性；
漏电保护器拒跳；
保护器误动；
漏电保护器的频动；
漏电保护器的技术误区；
漏电保护器的技术思路内解决其频动、拒动问题是不大可能的；…。 
关于RCD剩余电流漏电保护器的实际应用效果的描述有：
      “在两网改造中，大量使用了剩余电流动作漏电保护器，几年过去了，事实证明，漏电保护器损坏、人为解除运行现象非常严重。用电损耗问题，安全用电问题仍然严峻。纠其原因是多方面的，但直接原因是漏电保护器的频动、拒动，严重影响了正常用电，使管、用电人员对漏电保护器失去信心，甚至放弃。”
      “在两网改造工程实施过程中，广泛地应用了漏电保护装置——剩余电流动作保护器。实践证明，保护器的应用，大大降低了
人身电击伤亡事故，同时还起到了监督线路绝缘水平的作用，安全用电效果显著。国内外的经验明，在低压电网中，安装保护器是防止人身电击伤亡、电气火灾及电器设备损坏的有效的防护措施。”
       “RCD能十分灵敏地切断保护回路的接地故障，还可用作防直接接触电击的后备保护。这在我国多年对RCD的实际使用中已得到了证明。然而，在对RCD的进一步使用中，应注意到它所存在的不足之处。”
……。
总之，众说纷纭，各执其词，褒贬不一，有时矛盾，有时统一。谁对谁错？对，对在什么地方；错，错在那里…。
二、RCD剩余电流漏电保护器的理论依据
     仔细观查RCD的内部结构和安装位置：线路进出的一侧为电源，另一侧为负载（既被保护的一方）；负载工作所需要的电源相线、工作零线必须穿过一个绕有感应线圈的软磁环。
     在复杂电路中，我们把多条支路的汇交点叫节点。基尔霍夫电流定律说，关于节点的所有支路电流的代数和恒为零，
                ∑I = 0   
      换句话说，关于节点的部分支路电流的代数和恒等于剩余支路电流的代数和。如果把RCD保护的负载设备、线路系统看作一个“节点”，关于这个“节点”的部分支路（既负载工作所需要的相线、工作零线）电流的代数和恰等于剩余支路（接地漏电支路）电流的代数和。简单说，就是把负载设备、线路的所有电源相线、工作零线的电流相加，求其代数和，恰等于系统此时接地漏电故障电流
                 ∑I相、零 = I漏
      这就是RCD能灵敏地即时地检测到随机发生的接地漏电故障的理论依据。
安培环路定律说，磁场强度矢量H沿任何闭合路径的线积分等于贯穿由此路径所围成的面的电流的代数和，既
                     ∮Hdl = ∑l       （安培环路定律）
      RCD内部结构中绕有感应线圈的软磁环既为安培闭合环路，对穿过其所围成的面的相线、工作零线电流求和，软磁环内的磁通既为“和电流”产生的磁通，恰等于此时负载设备、线路系统的接地漏电故障电生的磁通。软磁环感应线圈内的感应电势大小、感应电流的大小与接地漏电故障电流成正比。所以称其为剩余电流互感器，并非“零序电流互感器”。
      当负载系统没有发生接地漏电故障时，既没有剩余支路电流，则有关负载系统的相线、工作零线电流的代数和恒为零，即使发生相线与相线、相线与零线之间的短路、过载、缺相、欠压、失压、过流等所有穿过RCD的支路间的工作电流、故障电流其代数和恒为零，RCD软磁环内磁通为零，其感应线圈内感应电势为零，RCD均不会动作，故RCD没有短路、过载、失压、缺相等保护作用，所以称之为RCD剩余电流漏电保护器。现在生产的断路器其内部配置了剩余电流互感器，不仅具备短路、过载、失压、过流等保护作用外，还具备了接地漏电保护功能。
三、故障电流“剩余原则”
       RCD剩余电流漏电保护器安装、使用的原则是故障电流“剩余原则”。
既被我们看作为节点、需要漏电保护的负载设备、线路系统，与之有关的所有供电电源相线、工作零线N等工作支路电流都要穿过RCD的磁环；
      保护零线PE、试验支路等保护支路电流、试验支路电流、故障支路电流均作为剩余支路不得通过RCD。例如在RCD的负载侧工作零线N不得设置重复接地线、保护零线PE不得进RCD。
四、“合理选用”原则
     RCD剩余电流漏电保护器能即时、随机、无死区检测接地故障电流，动作灵敏，保护切断电源时间短。
     因此，只要合理选用，正确安装、使用RCD保护器，对于保护人身安全，防止电击事故和预防火灾产生会有明显的作用。
     如果违背科学合理选用原则，滥用RCD保护器，出现保护器误动、频动，造成频繁停电、大面积停电，供电安全、稳定和可靠性降低，影响正常生产和生活当然会造成人们的烦恼。
     国家颁布了《漏电保护器安全监察规定》（劳安字（1999）16号）和《漏电保护器安装与运行（GB13955-92）等一系列标准和规定。选用漏电保护器时应遵循以下主要原则：
1. 购买漏电保护器时应购买具有生产的厂家产品，且产品质量检测合格。
2. 应根据保护范围、人身设备安全和环境要求确定漏电保护器的电源电压、工作电流、漏电电流及动作时间等参数。
3. 电源采用漏电保护器做分级保护时，应满足上、下级开关动作的选择性。
4. 手持式电动工具（除III类外）、移动式生活用家电设备（除III类外）、其他移动式机电设备，以及触电危险性较大的用电设备，必须安装漏电保护器。
5. 建筑施工场所、临时线路的用电设备，应安装漏电保护器。这是《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-88）中明确要求的。
6. 机关、学校、企业、住宅建筑物内的插座回路，宾馆、饭店及招待所的客房内插座回路，也必须安装漏电保护器。
7. 安装在水中的供电线路和设备以及潮湿、高温、金属占有系数较大及其他导电良好的场所，如机械加工、冶金、纺织、电子、食品加工等行业的作业场所，以及锅炉房、水泵房、食堂、浴室、医院等场所，必须使用漏电保护器进行保护。
8. 固定线路的用电设备和正常生产作业场所，应选用带漏电保护器的动力配电箱。临时使用的小型电器设备，应选用漏电保护插头（座）或带漏电保护器的插座箱。
9. 漏电保护器作为直接接触防护的补充保护时（不能作为唯一的直接接触保护），应选用高灵敏度、快速动作型漏电保护器。
一般环境选择动作电流不超过30mA，动作时间不超过0.1s.，这两个参数保证了人体如果触电时，不会使触电者产生病理性生理危险效应。
在浴室、游泳池等场所漏电保护器的额定动作电流不宜超过10mA。
在触电后可能导致二次事故的场合，应选用额定动作电流为6mA的漏电保护器。
10. 对于不允许断电的电气设备，如公共场所的通道照明、应急照明、消防设备的电源、用于防盗报警的电源等，应选用报警式漏电保护器接通声、光报警信号，通知管理人员及时处理故障。
有的人在漏电保护器动作时不是认真地找原因，而是将漏电保护器短接或拆除，这是极其危险的，也是绝对不允许的。
五、“末级保护”原则
       既要安全用电，减少触电事故，又要提高电网供电的可靠性，这是对漏电切断保护的全面要求。
       加大末级漏电保护器的安装率和投运率，建议实行“末级保护”原则。以防止直接接触触电为主要目标，各自保护面小，不干扰其他用户。
       二级保护为系统总保护或分支保护。保护范围为低压电网的主干线（或分支线）、下户线和进户线。建议考虑上级漏电保护器的额定漏电电流为下一级额定漏电电流的2.5～3.0倍，上一级漏电保护器的动作时间较下一级动作时间增加一个动作级差，约为0.1～0.2s左右。
 六、“运行管理、质量跟踪”原则
       漏电保护器作为国家强制性实施安全认证的电工产品，其质量优劣将直接关系到使用者的生命和财产的安全，必须加强和开展对漏电保护器质量的监督，实行动态管理，提高生产经营者的质量意识，防止不合格和伪劣产品进入低压电网。
    漏电保护器的运行管理，有条件的可统一采购、统一安装，以户建档，
明确运行责任人，配备试跳运行记录，正确记录投运试验情况、定期试跳情况、运行中跳闸情况、恢复送电时间、故障原因及异常情况等。
七、浅析“RCD的技术误区”
       负载设备、线路总是与环境、大地之间存在着分布电容、电感；非线性负载形成地高次谐波产生的电磁感应、电磁辐射；…都会造成供电、用电系统非故障性正常泄漏电流。更要命地是它的大小地不确定性，随环境、温度、气候…等的变化而改变。它隐藏在RCD保护器检测的剩余电流中，无法摆脱，时时作祟。例如有好多人家装修住房后，RCD动作，无法合闸，只好解除RCD强行送电。原因就是房内潮湿正常泄漏电流增大所致。特别是总保护、分支保护的RCD保护器频动，引发大面积停电，事后又查不出有什么故障，就是系统正常泄漏电流随时变化、瞬间增大造成地。不确定的正常泄漏电流使得RCD保护器的实际应用遇到了无法克服的困难。经验告诉我们，RCD保护器实行“末级保护”原则的正确性。
      在TN——-C供电系统中，工作零线N和保护零线PE公用一根零线，通过了RCD。
     当接零负载设备漏电时，出现相—零短路电流使熔断器熔断，动作灵敏的RCD却没有动作，可笑吗？！
      其实这不是RCD的过错，而是安装使用者的无知造成的。正确地安装方法应该是，在三相四线制进户线处，首先对零线重复接地；从重复接地处拉出一根专用保护零线PE，和工作零线N相互独立，改进户线为三相五线制供电既TN——-C——-S系统；单相进户线为三根线，保护零线PE不进RCD。这样就不会出现上述笑话。（克市广大老住户的RCD现在还处在上述笑话中）
      另外，还有一种情况是，同样在TN——-C供电系统中，RCD后负载侧重复接地，造成RCD无故频动，无故停电，严重影响了正常的生产和生活。原因是这种接法的结果造成RCD电源侧外系统通过RCD负载侧内接地极的重复接地电流成为剩余电流所致。解决的办法同上。
       在TN——-S系统中，如果在RCD后负载侧，工作零线N重复接地，也会出现上述。解决办法是让保护零线重复接地。
      在TN——-S系统中，如果在RCD后负载侧，把工作零线N当做保护零线PE用，或者将保护零线PE当作工作零线N混用，会造成RCD频动、不能合闸。原因是这种接法把工作电流变成剩余电流导致RCD动作。
       踪上所述，RCD存在使用者的技术误区，不存在“RCD的技术误区。”