基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的電機能耗診斷平臺及系統(tǒng)

唐麗嬋 齊亮 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 （200070）

唐麗嬋（1983年~），女，本科，上海理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)。現(xiàn)就職于上海電氣中央研究院電氣研究室，主要從事機電節(jié)能技術(shù)研究。

0 引言

我國工業(yè)生產(chǎn)過程中大量使用以中小型電動機為動力的拖動系統(tǒng)（90%以上的電動機屬于中小型電動機），這部分系統(tǒng)的電能消耗非常大，通常可以占到企業(yè)電能消耗的30%～40%,但目前限于成本的考慮，其運行過程中無法得到有效的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，電能浪費嚴重。所以研究如何有效地檢測電機的運行狀況，保證電機能夠高效、無故障地運行，使電機處于低功耗工作狀態(tài)，具有極大的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義。

本項目研制的基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的電機能耗診斷平臺及系統(tǒng)具有測量精度高、安裝方便、操作簡單、成本低廉等特點，特別適合于對工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的中小型電機的在線監(jiān)測。

1 電機能耗診斷系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文所設(shè)計的電機能耗診斷平臺是基于數(shù)字信號分析理論基礎(chǔ)上的在線故障診斷裝置，這種裝置的突出特點是需要在現(xiàn)場實時對數(shù)據(jù)進行快速運算處理并給出分析結(jié)果，對于需要進一步分析診斷的數(shù)據(jù)需要保存或傳輸?shù)缴衔粰C。因此該系統(tǒng)分為上位機與下位機兩大部分。下位機為信號采集與處理終端，安裝在電機控制中心，可以實現(xiàn)對電機的定子電流、電壓信號進行采集與處理，以此來獲得電機的運行狀態(tài)參數(shù)，并將相關(guān)的信息發(fā)送給上位機。上位機為電機監(jiān)測中心，接收由下位機上傳的電機運行參數(shù)，并在監(jiān)控畫面上實時顯示這些參數(shù)的瞬時值和時域曲線。為便于對電機效率分析與能源管理，我們將采集的數(shù)據(jù)同時存入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中以便于今后的查詢[1]。

上位機與下位機之間采用Zigbee無線協(xié)議與路由器及協(xié)調(diào)器進行通信,如圖2-1所示。該技術(shù)具有低成本、短延時、高安全性、高網(wǎng)絡(luò)容量的特點，這使得此裝置可以作為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層檢測站，由高層的檢測計算機端對各個檢測點進行統(tǒng)籌管理、檢測顯示以及進一步分析處理。

圖1 電機能耗診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 DSP信號處理單元設(shè)計

DSP信號處理單元硬件部分包括DSP最小系統(tǒng)、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、外擴RAM及串行通信等部分。電機能耗診斷系統(tǒng)中DSP處理部分的硬件布置如圖2所示。

圖2 基于TMS320F2812的控制板硬件布置

1.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集的信號調(diào)理如圖2-3所示。由于雙極性信號不能直接接入TMS320F2812的A/D輸入引腳，因此可以通過電平抬高電路將其抬高到1.5V，得到峰值為0～3V的電壓信號，接入DSP的AD輸入通道ADIN0。三部分運算放大器構(gòu)成的電路分別是極性轉(zhuǎn)換電路、比例調(diào)節(jié)電路、隔離電路。

圖3 信號調(diào)理電路

1.4 無線通訊部分設(shè)計

現(xiàn)代無線通信的標準有很多，例如3G、WiFi、Bluetooth、WIMAX、ZigBee等。其中，ZigBee技術(shù)是應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)的專門為遠程監(jiān)測和控制而設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其功耗低、成本低等優(yōu)點使它很適用于各種無線監(jiān)控領(lǐng)域。

ZigBee采用IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件層，更加適合與產(chǎn)品技術(shù)一體化，加強了產(chǎn)品的通用性。它提供一種高可靠的無線連接，其通信距離從標準的75m到幾百米甚至幾公里，可以無限擴展。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊之間都可以相互通信，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身不僅可以作為監(jiān)測對象[2]，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，還可以自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)以無線模塊ZMN2400HP為核心，可進行SCI串行通信，或ZigBee無線通信。無線模塊ZMN2400HP只需極少外部元器件，就可以達到穩(wěn)定的性能且功耗極低，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE8O2.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

圖4 無線通信模塊

1.5 傳感部分電路設(shè)計

傳感電路主要采用兩個電流傳感器、兩個電壓傳感器來檢測兩路線電流、兩路線電壓。輸出皆為0～±5V（可調(diào)）的電壓量。這部分電路主要包括電源模塊、電壓傳感模塊以及電流傳感模塊三部分組成。

圖5 電壓傳感器

圖6 電流傳感器

1.6 電源模塊的設(shè)計

TMS320F2812芯片采用雙供電模式，1.8V（主頻135MHz）內(nèi)核電壓和3.3V外圍接口電壓。通常芯片的上電順序是：先加載外圍接口電壓3.3V，當外圍接口電壓升至2.5V時開始加載芯片核電壓1.8V，電壓爬升小于10ms。該芯片下電的順序是：先斷開外圍接口電壓3.3V，而復(fù)位信號始終低有效并保持8us，接著使芯片核電壓1.8V降為0。

一般市面上所售的開關(guān)電源均為+5V電壓，要滿足上述供電要求必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片組。本系統(tǒng)中采用的電源轉(zhuǎn)換芯片與DSP芯片均為TI公司生產(chǎn)，芯片之間的兼容性好，可靠性高，性能參數(shù)指標具有一致性。電源芯片TPS767D318為+5V外接電壓轉(zhuǎn)換+3.3V提供可能，采用可調(diào)電源芯片TPS767D318為TMS320F2812提供1.8V（主頻135MHz）或1.9V（主頻150MHz）的核電壓。

1.7 SCI接口的設(shè)計

SCI稱為串行通信接口，它是一種采用雙信號線的異步串行通信接口。它的主要任務(wù)是將片內(nèi)A/D采集到的十進制或十六進制數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C端，使得相關(guān)技術(shù)人員能夠在計算機上完成數(shù)據(jù)的分析和處理。

TMS320F2812處理器提供2組SCI接口，分別為SCITXDA、SCIRXDA、SCITXDB、SCIRXDB，其中SCIRXD為SCI數(shù)據(jù)接收引腳，SCITXD為SCI數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。兩個引腳為多功能復(fù)用引腳，不用時可做通用數(shù)字量I/O。TMS320F2812芯片的SCI接口特點概括如下：

可編程通信速率，可以設(shè)置64 k種通信速率；

支持全雙工或者半雙工通信模式；

具有雙緩沖接收和發(fā)送功能；

發(fā)送和接收可以采用中斷和狀態(tài)查詢兩種方式；數(shù)據(jù)格式

?1個啟動位

?1~8位可編程數(shù)據(jù)字長度

?可選擇奇偶校驗或無校驗位模式

? 1或2位停止位[3]。

圖7所示為F2812芯片的SCI接口電路原理。

圖7 F2812芯片的SCI接口電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件主要設(shè)計包括三部分，電機信號的采集和參數(shù)計算，無線通信，以及上位機上運行的電機參數(shù)顯示存儲分析軟件。

計算模塊總體流程如圖9所示，原始數(shù)據(jù)首先需要進行預(yù)處理，計算電壓電流有效值和視在功率；分別結(jié)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，進而到輸出功率；計算輸入功率，有視在功率和輸出功率可以分別得到功率因數(shù)和效率。計算模塊中包含了常規(guī)電機監(jiān)測中所要求的所有參數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)計算部分軟件設(shè)計

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊邏輯流程

圖9 計算模塊總體流程

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分的主要功能是從無線模塊接收數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行相應(yīng)功能。DSP分為三種工作狀態(tài)：正常運行狀態(tài)、參數(shù)配置狀態(tài)、原始數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)。輸入項無線模塊傳來的數(shù)據(jù)幀。輸出項執(zhí)行相應(yīng)功能。

圖10 串口接收邏輯流程

圖11 計算結(jié)果上傳邏輯流程

根據(jù)無線模塊傳來的數(shù)據(jù)幀判斷執(zhí)行參數(shù)配置或原始數(shù)據(jù)上傳功能，此時正常數(shù)據(jù)采集計算功能暫停。計算結(jié)果上傳模塊功能將計算結(jié)果通過SCI傳給無線通板。將DSP結(jié)算結(jié)果通過總線傳送給無線節(jié)點。所設(shè)計的數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)

2.3 上位機軟件設(shè)計

上位機主要運行電機能耗診斷系統(tǒng)，其主要功能包括：

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與存儲

（2）監(jiān)測節(jié)點管理

（3）遠程監(jiān)測

（4）歷史查詢

（5）性能分析和用電統(tǒng)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與存儲功能由兩部分組成：監(jiān)測服務(wù)程序與監(jiān)測服務(wù)管理程序。監(jiān)測服務(wù)程序以Windows NT服務(wù)的形式發(fā)布，在后臺自動運行，提供數(shù)據(jù)接收、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲和用戶命令監(jiān)測（即用戶對無線模塊進行參數(shù)配置等數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)）等服務(wù)。監(jiān)測服務(wù)管理程序可以監(jiān)視監(jiān)測服務(wù)程序的運行狀態(tài)，啟動、重啟和停止監(jiān)測服務(wù)程序，以及配置監(jiān)測服務(wù)程序運行參數(shù)。

監(jiān)測點管理程序負責(zé)監(jiān)測點的管理，包括監(jiān)測點的增加、刪除和修改以及配置參數(shù)的上傳，如圖12所示。監(jiān)測點的參數(shù)分為兩類，一類是管理參數(shù)，包括類型、名稱、電流范圍、電壓范圍、功率范圍、轉(zhuǎn)矩范圍、轉(zhuǎn)速范圍、額定電壓、額定電流；一類是配置參數(shù)，即上傳到無線模塊的參數(shù)，包括DSP板系數(shù)Ia、Ib、Uab、Uca，傳感器板系數(shù)Ia、Ib、Uab、Uca，1/2線間電阻、采樣頻率、電機槽數(shù)、電機級數(shù)、損耗系數(shù)。

圖12 監(jiān)測點管理

遠程監(jiān)測可以運行在局域網(wǎng)中任意一臺PC機中，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。如圖13為所設(shè)計的系統(tǒng)的主界面，從該界面可以分別訪問到歷史查詢、性能分析和用電統(tǒng)計界面。本系統(tǒng)中主要監(jiān)測的參數(shù)主要如下：

（1）電機監(jiān)測參數(shù)：包括電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出功率、效率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)和用電量。

（2）電爐監(jiān)測參數(shù)：包括線電壓Uab、Uca，線電流Ia、Ib、輸入功率和本月用電量。

（3）電表監(jiān)測參數(shù)：包括A相電流、B相電流、C相電流、平均電壓、輸入功率和本月用電量。

圖13 電機在線監(jiān)測-儀表面板

圖14 在線監(jiān)測畫面

歷史查詢功能只對電機有效。首先，設(shè)定查詢時間范圍，即起始時間和終止時間，然后，從設(shè)備列表中選擇要查詢的設(shè)備，系統(tǒng)即可繪制出設(shè)備在指定時間范圍內(nèi)的波形圖。

電機性能分析包括效率-轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速、輸入功率-轉(zhuǎn)速、輸出功率-轉(zhuǎn)速、效率-輸出功率、轉(zhuǎn)矩-輸出功率。用電統(tǒng)計可生成指定設(shè)備類型或設(shè)備在設(shè)定時間范圍內(nèi)的用電曲線圖。導(dǎo)出曲線功能可以將用電曲線保存為圖片。

3 結(jié) 語

本文所設(shè)計的系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測各監(jiān)測點的用電量，而且在僅使用電流傳感器而不增加其他傳感器的條件下，可以對電機能效進行評估，實時監(jiān)測電機能效。由于采用了無線傳輸技術(shù)，大大減少了系統(tǒng)的布線，在工程應(yīng)用中施工工作量很小，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的改造升級中，工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場布線成本非常高的障礙。面對國家節(jié)能減排的宏觀環(huán)境，將有效解決企業(yè)中小型電機的狀態(tài)監(jiān)測與系統(tǒng)節(jié)能問題，為企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。該技術(shù)具有非常好的市場前景。

[1] 胡靜濤.工業(yè)無線通信技術(shù)[J].儀器儀表標準化與計量,2008.

[2]張帆.基于ZigBee技術(shù)的生態(tài)化污水處理無線自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京化工大學(xué),2009.

[3] 蘇奎峰，呂強，常天慶，張永秀.TMS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2008.