基于無線網絡的電路故障管理與診斷系統設計

朱 濤, 周天沛,2, 姜 濤, 凌啟東

(1. 徐州工業職業技術學院 機電工程技術學院， 江蘇 徐州 221140； 2. 中國礦業大學信電學院， 江蘇 徐州 221008； 3. 徐州華潤電力有限公司， 江蘇 徐州 211003)

0 引 言

電路故障嚴重威脅著企業或設備的生產運行，一方面可以通過有效的措施避免電路故障的發生；另一方面需要有熟練的工程技術人員迅速排除電路故障，以促進生產安全、質量和效率。目前，高水平的電路裝調與維修人員匱乏，然而，高校和培訓機構使用的一些實驗設備中，又缺乏針對性的訓練模塊，通常采用物理的方法人為設置故障，如拔保險系設置斷路、用導線短接設置短路、在地與設備間串電阻設置虛接地等等。一方面，由于每個試驗臺在每一次訓練前都需要管理人員進行手工設置，繁瑣、費時，頻繁的操作會使元器件使用壽命降低，耗材使用量增加，并有可能出現安全隱患；另一方面，有些基本的電路故障，如保險絲的通斷等不能實時監測，需要工作人員到現場逐一排除，造成訓練效率低。因此，研發一種高效、實用的電路故障管理系統融入到各類機電培訓設備中，對于培養高素質電路裝調與維修人員至關重要[1-4]。

為解決以上問題，在實際應用中，根據常用機電設備的電路故障特點，將故障類型分為斷路、短路、接觸不良、接地四種。將通過單片機控制的繼電器、接觸器串于電氣線路或電器元件之間，再輔以必要的控制電路、輸入輸出單元，實現電路故障設置；每一個實驗管理器都有各自的無線接口，通過無線局域網與上位機通訊，輔以必要的傳感器及其外圍電路，實現整個實驗室電路故障設置與監測的統籌管理，可以準確地把握故障設置的時機，增強故障設置的隱蔽性，讓故障設置多樣化，確保常規故障監測的實時性，從而提高了故障管理的水平。

圖1 電路故障管理系統結構圖

1 電路故障管理系統的硬件設計

基于無線網絡的電路故障管理系統由硬件和軟件組成。硬件由上位機、單片機、接口電路、通訊模塊等單元組成。如圖1所示，上位機把要設置站點的每一個故障點狀況反映在顯示屏上，并通過選擇開關發送故障設置指令，通過指示燈接收下位機的故障信息。上位機基于Modbus協議[5]通過串口與ZigBee[6]無線模塊連接，把要設置的故障信息傳送給相應站點的無線模塊進行發射和接收，再由單片機根據串口接收下來的信息去動作相應的繼電器或接觸器，并把監測的故障信息傳至上位機，從而達到遠程故障管理的目的。

1.1 下位機整體設計

電路故障管理系統的下位機主要是由若干基于無線通訊的實驗管理器組成，如圖2所示，實驗管理器由基于CC2530芯片[7]的通訊模塊電路、STC89C53單片機[8]及其外圍電路、故障點選擇電路和故障監測電路組成。

1.2 基于CC2530的通訊模塊電路

基于ZigBee技術的無線網絡節點硬件設計選擇集微處理器模塊和無線收發模塊于一體的單芯片解決方案。這里選用具有256 KB閃存的CC2530芯片，它是TI公司專門針對2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的片上系統(SoC)解決方案[9]，基于CC2530的通訊模塊電路如圖3所示。

射頻部分采用巴倫電容電路和外置高增益SMA天線完成射頻的平衡不平衡轉換，并完成天線阻抗的匹配，發送距離遠，接收靈敏度高。RX和TX為串口接收和發送引腳，通過UART接口與STC89C53單片機或上位機通信，在通訊電平不匹配時，需進行RS232電平轉換。

1.3 故障點選擇電路

故障點選擇電路的功能主要是根據單片機STC89C53的P口信息，驅動相應的繼電器線圈帶電或斷電，達到該電路是短路、斷開、接觸不良和對地短路狀態的目的。在實際應用中，根據需要確定故障點個數，這里以6個為例。

如圖4所示，故障點選擇電路包括4部分，第1部分是可設通斷的開路故障點驅動電路和與故障點一一對應的具有常開觸點的開路故障點繼電器組(K11,K12,…,K16)，第2部分是接觸不良故障點驅動電路和對應的繼電器組(K21,K22,…,K26)，第3部分是對地短路的故障點驅動電路和對應的繼電器組(K31,K32,…,K36)，第4部分是1 s時鐘周期的脈沖驅動電路及其對應的繼電器(K41)。整個電路都置于實驗管理器的盒子內，僅留出接線端子在外面。以第一個故障點為例，如果設置為斷路故障，需把此線路串接在原有線路中，讓繼電器K11、K21、K31和K41的線圈都不帶電；如果設置為短路故障狀態，需把此故障點的前后端接線端子與電氣設備中的元器件并聯，讓繼電器K11的線圈帶電，繼電器K21、K31和K41的線圈不帶電；如果設置為接觸不良故障狀態，同樣把此線路串接在原有線路中，讓繼電器K21的線圈帶電，繼電器K41的線圈周期性帶電，繼電器K11、K31的線圈不帶電，此時電路以1 s為周期時通時斷，并且接通時電路中有很大電阻；如果設置為接地故障狀態，僅需把該故障點線路的前端與原電路相接，讓繼電器K31的線圈帶電，繼電器K11、K21、K41的線圈不帶電。

1.4 故障監測電路

故障監測電路的功能主要是判斷電氣設備的熔斷器是處于通電狀態，還是處于斷電狀態，其原理如圖5所示，以第1個熔斷器FU1為例，當其正常通電時，根據并聯電路分流原理，在電阻R11阻值非常大時，電流基本都流經熔斷器FU1，此時，反向并聯的發光二極管不亮，光敏電阻R1由于沒有受到光照，阻值較大，設此時其值為R1a，根據串聯電路分壓原理，在P1.0端口檢測到的電壓值a=5R1a/(r1+R1a)V；當因過載等原因使熔斷器FU1斷掉時，電流便會流經大電阻R11和發光二極管，光敏電阻R1由于受到發光二極管照射，其阻值變小，設此時其值為R1b，在P1.0端口檢測到的電壓值b=5R1b/(r1+R1b)V。合理選擇電阻r1和R1，使a≥2.8 V、b≤0.8 V，從而，通過P1.0～P1.5端口檢測到的高低電平即可判斷熔斷器FU1～FU6的通斷。

2 電路故障管理系統的軟件設計

電路故障管理系統的軟件設計分為上位機監控界面設計、通訊程序設計和系統管理程序設計3部分。

2.1 上位機監控界面設計

MCGS是為工業自動化領域服務的通用計算機系統軟件，具有可維護性強、可視性好、操作簡便、功能完善的突出特點[10]。利用MCGS的工具箱繪制并組態如圖6所示的上位機監控界面。

圖6 上位機監控界面

上位機還可以將多個來源下位機的故障信息數據添加到指定的目標數據庫中的目標數據表，通過瀏覽存盤數據的方式查看歷史的故障設置數據。

2.2 通訊程序設計

(1) 系統網絡通訊結構。ZigBee無線網絡通常由3種節點構成。Coordinator：用來創建一個ZigBee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個ZigBee網絡需要且只需要1個Coordinator；Router：可以轉發數據，起到路由的作用，也可以收發數據，當成1個數據節點，還能保持網絡，為后加入的節點分配地址；End Device：終端節點，通常定義為電池供電的低功耗設備，一般只周期性發送數據，不接收數據。由于在電路故障管理系統網絡中，只需要ZigBee模塊實現無線數據傳輸功能，即每個節點隨時能夠收發數據，同時也能擔任其它節點的路由器，而且，所有的數據傳輸路由都是自動計算的，無需用戶干預，所以節點的配置只有Coordinator、Router[11]。

(2) 上位機通訊程序設計。上位機通信通過MCGS軟件的標準Modbus-RTU設備構件實現，它必須掛接在通用串口父設備下，通用串口父設備用來設置通信參數和通信端口，其通信參數必須設置成與設備一致，否則無法正常通信。如圖7所示，要使上位機能正確操作各試驗管理器，必須正確設置標準Modbus-RTU設備構件的采集周期、初始工作狀態設備地址、通訊等待時間、采樣次數、內部屬性，核心工作是組態要具體操作哪些寄存器[12]。

圖7 MCGS設備窗口的標準Modbus-RTU設備構件

(3) ZigBee無線網關軟件設計。在ZigBee的Cluster Tree拓撲結構中，是由下式來確定網絡節點的短地址：

An=Aparent+Cskip(d)Rm+n

(1)

其中：

式中：n為網絡的層數； Aparent為父節點網絡地址；d為網絡深度；Lm為網絡最大深度；Rm為最大路由節點數；Cm為最大子節點數。

由上式計算得出的短地址，是由該設備節點在ZigBee網絡拓撲中的位置來決定的，而與其IEEE地址和Modbus地址無關。在該系統中，將設備節點的IEEE地址與Modbus地址綁定，從而實現Modbus主、從站點地址定向，利用ZigBee的應用層，通過透明傳輸的方式進行標準Modbus協議的數據傳輸，在數據傳輸的過程中，所采用的設備只是起1個通道作用，把要傳輸的內容完好的傳到對方，不對傳輸數據作任何修改和處理，Modbus消息幀采用RTU傳輸模式，在網絡上的所有設備都選擇此傳輸模式，否則信息無法傳遞[13-14]。在實際應用，上位機接1個ZigBee模塊，設定為Coordinator，每個下位機接一個ZigBee模塊，設定為Router。ZigBee無線網關軟件的設計框圖如圖8所示。

(4)Modbus通訊程序設計。Modbus通信程序的主要功能是設置波特率、接收串口數據、解析串口接收到的數據、通過串口發送數據、判斷功能命令、響應查詢命令等。當下位收到消息后，首先判斷消息中的呼叫地址是否與本機相符，如相符則根據功能碼及相關要求讀取信息，在CRC校驗無誤的前提下，去執行相應的任務，然后向主機反饋執行的結果，否則放棄接收此消息，繼續執行其它應用程序。在Modbus-RTU協議模式下，前后幀之間停頓時間間隔必須大于等于3.5個字符時間、幀內兩個字符之間最大時間間隔小于等于1.5個字符時間。下位機采用STC89C53的一個定時器計算字符間隔時間, 定時器設置為0.5個字符時間，同時設置2個變量作為字符時間計數器。由于檢測到的是兩個字符停止位之間的時間，在定時器中斷程序中,分別將這2個變量不斷累加并判斷這2個時間段是否為2.5和4.5個字符時間，并在該定時器中斷服務程序中設定幀結束標志[15-16]。寄存器的讀寫操作按如圖9所示的流程執行。

2.3 系統管理程序設計

系統管理程序包括用戶管理模塊和考試管理模塊。用戶管理模塊是對上位機軟件的用戶進行管理的模塊。嚴格規定操作權限，不同類別的操作由不同權限的人員負責，只有獲得相應操作權限的人員，才能進行某些功能的操作。上位機軟件用戶分為兩個級別，系統管理員和普通用戶。系統管理員除了可以修改自己的密碼以外還可以添加和刪除用戶，設置故障，查看故障排除記錄等；普通用戶只能修改自己的密碼，查看故障排除記錄。考試管理模塊是對現場數據進行動態管理的模塊，可以單獨某1臺設備進行故障設置，也可以按照技能鑒定要求對全網所有設備進行統一設置，其工作流程圖如圖10所示。

3 測試與應用

本系統在實際實驗室建設中得到測試驗證，測試過程中將基于ZigBee的無線連接通信方式和傳統的雙絞線物理連接通信方式對比得出優良的性能參數。如圖11所示的實物，在我校儀表實訓室中安裝應用，為10個儀表自動化實驗裝置通過ZigBee無線通訊模塊連接在無線網絡中完成各自裝置的故障設置與監測的通信和控制功能。經過10個網絡節點近一年的測試結果表明，相比傳統網絡，即充分發揮了Modbus總線協議應用廣泛、幀格式簡單緊湊、方便數據透明傳輸的優點，又充分發揮了無線網絡組網靈活、易于擴展、簡便美觀的優點，即省去了大量網絡布線的工作，又方便與具有Modbus協議接口的變頻器、變送器與儀表互連，使現有設備的升級更加簡單快捷，通過智能的故障設置和監測方法，為電路故障診斷與維修教學、訓練和考核提供了真實的故障現象和實時的故障監測信息，達到了無損故障設置和遠程故障監視的目的。

圖11 實驗管理器實物面板與無線通訊模塊實物

4 結 語

本文對基于無線網絡的電路故障管理系統進行了深入的研究，該系統能夠實現監控上位機與實驗管理器的無線通訊，通過ZigBee的應用層利用透明傳輸的方式來傳輸標準的Modbus數據幀，Zigbee的物理層、MAC層和網絡層不會影響到所傳輸的Modbus數據幀，從而保證了所傳數據的完整性。該系統為電氣設備維修保障人員的電路知識學習、操作技能和維修技能訓練提供了一種新穎的無損故障設置方法，避免了通過物理方法設置電路故障，造成電氣設備和電器元件壽命縮短和耗材增加等情況的發生，特別是在實驗室環境下，無需復雜的網線布置就可組網監控，可隨時根據設備更新的狀況來更新電路故障數據，體現了成本低、故障擴展性強、應用范圍廣、升級容易、便于推廣等特點，也為工業設備基于Modbus協議構建無線網絡提供了可借鑒的解決方案。

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