基于Zigbee的煤礦井下三相異步電機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

保 慧，梁海峰

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南通 226006）

基于Zigbee的煤礦井下三相異步電機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

保 慧，梁海峰

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南通 226006）

采用TI公司的CC2530芯片將三相異步電動(dòng)機(jī)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)計(jì)成無線節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的電壓、電流參數(shù)，并經(jīng)過功率計(jì)算，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤礦電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保電機(jī)的正常運(yùn)行。

Zigbee；三相異步電機(jī)；無線監(jiān)控；CC2530

0 前言

近幾年，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，能源需求增長加速，煤炭產(chǎn)量也迅速增長，煤礦生產(chǎn)最重要的問題之一便是安全問題[1]。三相異步電機(jī)作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)的重要電氣設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在煤礦生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不可避免地會(huì)發(fā)生故障，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全運(yùn)行蘊(yùn)藏潛在的威脅。因此，實(shí)現(xiàn)煤礦三相異步電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握煤礦三相異步電機(jī)的運(yùn)作狀態(tài)，確保其安全運(yùn)行，具有十分重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，基于Zigbee的煤礦三相異步電機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，電機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過傳感器完成煤礦三相異步電機(jī)的電壓、電流參數(shù)的測定，并經(jīng)過功率計(jì)算，將測得的數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器，同時(shí)根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口和用戶監(jiān)控中心進(jìn)行通信，將采集到的電機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)接受監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制指令，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)把質(zhì)量發(fā)給相應(yīng)的電機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)煤礦電機(jī)功率的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 煤礦三相異步電機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下三相異步電機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由上位機(jī)主站和異步電機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兩部分組成。上位機(jī)主站是由一臺(tái)工控機(jī)或個(gè)人電腦與協(xié)調(diào)器通過串口相連；異步電機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則是由測量異步電機(jī)參數(shù)的傳單元、電源模塊、微處理器、繼電器模塊和通信模塊組成。

異步電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，用內(nèi)置精確的低偏置線性霍爾電流傳感器ACS712進(jìn)行相電流采集；利用磁補(bǔ)償原理、在電氣上高度絕緣的霍爾電壓傳感器HNV-025A進(jìn)行相電壓采集，兩者采集的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后通過A/D轉(zhuǎn)換后送給微處理器；利用感應(yīng)線圈測量轉(zhuǎn)子頻率測量電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而根據(jù)異步電機(jī)能流圖計(jì)算出電機(jī)功率；無線射頻模塊負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器的通信，發(fā)送電機(jī)的參數(shù)，并接受電機(jī)的控制命令；繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的通斷控制。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

微處理器選用TI公司的CC2530單片機(jī)，采用增強(qiáng)型8051MCU，支持IEEE 802.15.4協(xié)議[3]。該芯片硬件方面，內(nèi)部自帶ADC，集成高性能的RF收發(fā)器及出色的低功耗功能。

圖3 天線匹配電路圖

由于礦井下數(shù)據(jù)傳播路徑會(huì)遇到阻隔，所以CC2530無線射頻模塊選用外接型鞭狀天線增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度。無線RF模塊電路選用無巴倫的匹配電路，天線匹配電路如圖3所示，電路中C18、C19、C20、C21、C22、L2和 L3的阻抗相匹配，滿足射頻模塊輸入/輸出阻抗為50 Ω的匹配要求。

由于常用的電源電壓為5 V，而CC2530的工作電壓為3.3 V，選用NCV1117ST33T3G芯片，它是一款低壓降可調(diào)穩(wěn)壓芯片，可以把輸出電壓調(diào)整到3.3 V，電源電路原理如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)和異步電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類似，也是選擇CC2530為控制芯片的無線射頻單元與其他節(jié)點(diǎn)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而工控機(jī)和CC2530通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)及異步電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)三部分。上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，監(jiān)控界面查看三相異步電機(jī)的各種參數(shù)及運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)三相異步電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，檢查整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接運(yùn)行情況，接收各節(jié)點(diǎn)傳來的電機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)并送給工控機(jī)，同時(shí)接收工控機(jī)控制指令并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，程序流程圖如圖5所示；異步電動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集電機(jī)參數(shù)信息并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、接收控制指令、發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)并計(jì)算電機(jī)的功率，程序流程圖如圖6所示。

圖5 協(xié)調(diào)器程序流程圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 結(jié)語

本文采用CC2530為主控芯片的設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)監(jiān)控?zé)o線節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建基于Zigbee的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下三相異步電動(dòng)機(jī)的無線監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)采集電機(jī)的電壓、電流參數(shù)，并經(jīng)過功率計(jì)算，實(shí)現(xiàn)煤礦電機(jī)功率的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保電機(jī)的正常運(yùn)行。

［1］韓濤，黃友銳，曲立國.基于Zigbee的煤礦風(fēng)機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.煤礦機(jī)械，2014，35（1）：218-220.

［2］惠陽，曹現(xiàn)剛，張懷珠.基于XC164CS單片機(jī)的煤礦三相異步電機(jī)功率監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2014，35（1）：194-196.

［3］ 龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2012（6）：33-36.

Wireless Monitoring System of Three-Phase Asynchronous Motor Based on Zigbee in Mine

BAO Hui，LIANG Hai-feng
（School of Mechanical Engineering of Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong221006，China）

The three-phase asynchronous motor monitoring points using CC2530 of TI designed wireless nodes.The wireless nodes form a wireless network by Zigbee technology.So，the wireless monitoring system of three-phase asynchronous motor in mine is completed.The system is capable of real-time acquisition of the motor voltage and current parameters，and the real-time monitoring of coal mine motor power after power calculation，to ensure the normal operation of the motor.

Zigbee；three-phase asynchronous motor；wireless communication；CC2530

TM343.2

：A

：1009－9492(2014)12－0207－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.053

保 慧，女，1978年生，江蘇南通人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化技術(shù)。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：王智圣)

2014－06－25