基于GPRS的塔吊電機遠程監測終端設計

許景波　孟凡玉　焦天佑　熊啟梅

單冬梅1　崔曉萌1　劉　泊1　時玄宇2

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院1，黑龍江 哈爾濱　150080;大慶油田有限責任公司第四采油廠2，黑龍江 大慶　163511)

基于GPRS的塔吊電機遠程監測終端設計

許景波1孟凡玉1焦天佑1熊啟梅1

單冬梅1崔曉萌1劉泊1時玄宇2

(哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院1，黑龍江 哈爾濱150080;大慶油田有限責任公司第四采油廠2，黑龍江 大慶163511)

摘要：為了有效監測塔吊電機工作狀態，防止事故的發生，設計了塔吊電機遠程監測終端。通過ATT7022芯片，實現了電機運行參數的測量以及過壓、過流、斷相和相序錯誤等故障狀態檢測；采用信號發生器校準的方法，完成了適于現場應用的系統校準；建立了GPRS永遠在線機制，保障了數據的可靠傳輸和遠程的實時監測；通過TCP&UDP通信軟件測試，驗證了終端性能。整個終端對于塔吊的安全作業有著十分重要的意義，具有實用推廣價值。

關鍵詞：塔吊電機互感器繼電器DSP遠程監測校準GPRS通信故障檢測

0引言

隨著建筑工程規模的擴大和建設速度的提高，塔式起重機得到越來越廣泛的應用。其中電機是塔機工作過程的關鍵部件，其一旦出現故障，若不能及時發現，不僅會影響施工的正常進行，還有可能給現場施工人員的安全帶來威脅。現有塔機電氣系統中缺乏對電機的監測設備，有些操作人員為了追求工程進度而違規作業，使電機超負荷運行，又不能及時發現電機故障，給施工過程帶來了安全隱患。因此，對塔吊電機運行狀態進行實時監測變得尤為重要。通過調研發現，目前國內也有一些對塔吊電機運行狀態監測的研究，但幾乎沒有實現遠程實時在線監測[1-5]。

本文針對以上問題，設計了基于GPRS的塔吊電機遠程監測裝置。該裝置可以監測電機的電壓、電流及功率等運行參數，并對過壓、過流、斷相、相序錯誤等狀態進行檢測報警，設備保持永遠在線，遠程控制電機的啟停。當電機在工作中出現異常狀態時，該裝置可以及時采取關斷措施，避免事故的發生，對于安全生產具有重要意義。

1監測終端總體設計

為了實現對電機工作狀態的監測，需要實時測量三相電機每相的工作電壓、電流、有功功率、無功功率及總功率等參數[6-8]。本設計采用一款高精度三相電量計量芯片ATT7022。它能夠完成上述參數測量，并能對斷相、相序錯誤等故障進行智能判斷，節省了單片機的資源，使單片機能夠集中處理其他任務。建筑工地現場環境混亂，不易布線，所以數據傳輸應采取無線方式。GPRS是很好的選擇，它信號覆蓋范圍廣、功耗低、數據傳輸可靠。本設計采用GPRS模塊MC55i完成遠程監測。

監測終端的硬件構成框圖如圖1所示。以單片機STC12C5624AD作為處理器，包括GPRS無線通信模塊、ATT7022三相電量測量電路、語音報警電路、繼電器控制與保護電路、數碼管顯示模塊、鍵盤處理電路。ATT7022三相電量測量電路不斷地進行電機運行參數的測量與計算，結果存儲于內部寄存器，實時更新，供單片機調用讀取。GPRS通信電路實現網絡接入，測量參數的定時上傳，以及監控中心控制指令的接收等功能。數碼管顯示與鍵盤處理電路完成就地的人機接口功能，進行測量結果的顯示以及參數的設定。語音報警電路可以在緊急情況下，給塔吊操作人員以語音提示。繼電器控制電路可以完成電機的啟停控制。各部分功能由單片機統一調度，保證整體功能的實現。

圖1　系統硬件電路組成框圖

2ATT7022三相電量參數測量

ATT7022是一款集信號采集、處理、計算于一體的高精度計量芯片，外圍電路簡單，內部集成A/D轉換器；直接對轉換后的電壓、電流信號采樣，數據輸出采用SPI總線，方便與單片機進行接口。芯片支持軟件校準，使用方便，完全滿足本系統的設計要求。

2.1測量通道電路

系統采用互感器變換的方式，將高電壓、大電流的參量轉換為滿足ATT7022輸入要求的弱信號。正常工作時，ATT7022電壓和電流通道的最大輸入電壓為±1.5 V。當電壓通道有效值在10 mV～1 V的范圍內時，線性誤差小于0.1%；當電流通道有效值在2 mV～1 V的范圍內時，線性誤差小于0.1%。若電壓超出有效值范圍，會產生較大的線性誤差，導致測量偏差較大[9]。根據這一指標和對應通道的被測量范圍，選擇互感器變比，配置電路參數，進行電路設計。電壓、電流采樣測量通道電路如圖2所示。

電壓采樣測量通道如圖2(a)所示。系統選用電流型電壓互感器，輸入電壓通過電阻Ri轉換為電流；再通過1∶1的變換器，在輸出端得到相同大小的電流；最后通過輸出電阻R0將電流轉換為電壓。其中，R1和C1、R2和C2分別構成了采樣通道的抗混疊濾波器，R3和R4提供了偏置電壓。當互感器輸入線圈內阻R′=100 Ω時，根據式(1),可以得出轉換變比qu=513，則電機的額定相電壓220 V經測量通道轉換為0.43 V，處于ATT7022線性區中間段。

(1)

電流測量通道如圖2(b)所示。系統選用100 A/33 mA的電流互感器，變比qi為3 030。電機額定工作電流為30 A，考慮到對過流情況的測量，應使其轉換后處于電流通道線性區的底端。

圖2　電壓、電流采樣測量通道電路

經過式(2)計算，得出轉換后電壓為0.1 V，達到了設計要求。

(2)

電壓和電流分別經過采樣后，由內部DSP處理器進行均方根運算，可以得到相應電壓和電流的有效值，如式(3)、式(4)所示。對同相的電壓、電流乘積進行均值運算得到功率，如式(5)所示[10]。對功率進行數字序列積分可得到能量，如式(6)所示。所有參數的計算結果存于內部的寄存器中，ATT7022不斷地進行采集、計算、更新，并進行斷相、相序錯誤等故障狀態的判斷。單片機可通過SPI接口讀取這些參數和故障狀態標志，方便應用。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：U、I為電壓、電流的有效值；P為平均功率；E為累計的能量；N為一個周期內的采樣點數。

2.2系統校準

ATT7022本身具有校準功能，內部設有校準寄存器。通過設置這些寄存器，可以實現全數字化校準。校準過程中需要標準表讀出實際值，然后與測量值進行比較，按芯片手冊計算校準參數。這個過程需要標準電壓表、電流表以及功率表等設備，并且對大電流的測量需要大型恒流源。整個過程所需設備較多，對實驗條件要求較高，適合在實驗室進行。電壓、電流和功率測量校準如表1～表3所示。

表1　電壓測量校準

表2　電流測量校準

表3　功率測量校準

本文采用一種由高精度信號發生器進行校準的方法，信號發生器產生標準信號源，提供給ATT7022作為輸入，進行系統校準。由于高電壓、大電流參量經過互感器變換成弱信號，所以可以用信號發生器產生頻率為50 Hz的正弦電壓信號，模擬互感器輸出，提供給ATT7022。根據這個模仿信號和互感器變比，可以計算出其所代表的實際電壓、電流的大小，再讀出ATT7022此時的測量值，就可確定相應的校準參數。雖然互感器和測量通道電路存在一定的誤差，但此誤差在本系統誤差要求范圍內，可以忽略。對于功率的校準，需要在cos(Φ)=1條件下進行，即電壓、電流相角為0，這可以通過調節信號發生器的兩個輸出通道間相角來實現。這種方法簡捷、方便，同時又具有很高的精確性，能有效保障試驗人員的安全，適于現場校準應用。

3GPRS數據通信

系統采用西門子GPRS模塊MC55i進行數據通信，單片機通過串行接口與MC55i連接，通過AT指令對其操作。要保證對塔吊的實時監測，就需要監測終端永遠在線。終端掉線將使監測失去意義，給安全生產帶來隱患，所以單片機要建立起一種處理機制，以應對掉線情況發生，使終端能夠重新建立連接。

GPRS網絡本身是在GSM網絡基礎上升級的，仍然以語音通信優先于數據通信。當GPRS長時間在線而不傳輸數據時，數據業務優先級會被自動降低，經常出現掉線的現象。所以，終端需要以一定的時間間隔發送數據包，使自己的優先級不會被降低，從而保持長時間在線，這就是心跳機制[11-13]。

在發送心跳過程中，可建立雙向通信握手協議，即終端向服務器發送心跳，服務器接到后向終端回復應答。如果終端在一定時間內沒有接收到應答，那么需要判斷網絡狀態，進行重新連接。另外，在終端接收數據時，MC55i會向單片機申請中斷，如存在外來干擾或處于發送狀態，單片機就不能及時讀取網絡數據，那么MC55i將不再進行提示，這樣會造成數據堵塞，出現終端“掉線”假象[14-15]。所以，在發送心跳時，終端可以主動查詢網絡接收數據情況，這樣可以避免上述情況發生。

在意外斷開連接的情況下，MC55i同樣會向單片機申請中斷，發送表示連接斷開字符串，這時需要單片機中斷服務程序及時處理，重新建立連接。在服務器關閉的情況下，終端需要不斷發送建立連接指令，直至服務器重新打開。這樣處理不會因服務器的意外關閉，而不能再次建立連接。

以上方式可用單片機的狀態轉移圖來描述，如圖3所示。通過這種機制的處理，保證了終端永遠在線。

圖3　單片機狀態機轉換圖

4軟件流程及試驗結果

終端軟件包括主程序、串行中斷服務程序、定時中斷服務程序和鍵盤顯示處理程序。主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

主程序用于實現終端整體功能，以及其他子任務的管理和調度，串行中斷服務程序用來識別上位機的控制指令和解析GPRS網絡狀態。定時中斷服務程序用來上傳數據周期計時、心跳計時和服務器響應溢出時間計時。鍵盤顯示處理程序完成工作模式以及工作參數的設定。

本文通過TCP&UDP測試工具對終端進行測試，工具軟件作為服務器，終端作為客戶端，終端與服務器建立連接，實現通信測試的功能。整套數據包括4種數據幀：心跳幀、數據幀、報警幀和控制幀。例如，“B18004502348Z”為心跳幀，“B”為幀頭，代表本幀為心跳數據；“18004502348”是終端設備的手機號，用來識別終端設備;“Z”為幀尾。“A18004502348UA220.5UB219.7UC220.3IA035.3IB034.9IC035.1PZ+23.18PW+19.01PQ+13.27PF+0.82EP00053EQ00020Z”，為一次采集的數據，“UA、UB、UC、IA、IB、IC”為三相電壓、電流；“PZ、PW、PQ”分別為視在功率、有功功率和無功功率；“EP、EQ”分別為有功電能和無功電能。“GA100B000C000X0Z”為報警幀，“A”、“B”、“C”相后面的3位數字分別代表“斷相”、“過壓”、“過流”；“X”代表相序錯誤，其中，“1”表示有故障，“0”表示無故障。“CONZ”是控制幀，表示遠程開機指令，“COFFZ”表示遠程關機。測試過程中數據傳輸穩定可靠，遠程控制響應及時。

5結束語

塔吊電機監測終端可以實時監測電機的工作狀態參數，對故障進行檢測報警，實現了遠程數據傳輸與控制，對確保塔吊的正常運行、降低事故的發生率、保證人員的安全起到了關鍵作用。GPRS數據通信技術，具有傳輸距離遠、信號穩定、功耗小等優點，非常適合應用于遠程監測系統，具有推廣應用的價值。

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Design of the Remote Monitoring Terminal Based on GPRS for Tower Crane Motor

Abstract：In order to effectively monitor the operating conditions of tower crane motor,and avoid the accident occurrence,the monitoring terminal for tower crane motor is designed.The running parameters of motor,and the state of faults,such as overvoltage,overcurrent,break phase and phase sequence errors,are measured and detected through ATT7022 chip.The calibration of system is conducted by using signal generator,which is more suitable for field application.The mechanism of GPRS online forever is setup to ensure reliable data transmission and real time remote monitoring.The performance of terminal is verified through TCP&UCP communication software test.The terminal is of great significance for the safe operation of tower crane and has practical spread value.

Keywords:Tower crane motorTransformerRelayDSPRemote monitoringCalibrationGPRS communicationFault detection

中圖分類號：TH86;TP27

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605013

2013年住建部研究開發基金資助項目(編號：2013-R3-7)；

2015年哈爾濱理工大學創新創業訓練基金資助項目。

修改稿收到日期：2015-11-11。

第一作者許景波(1973-)，男，2007年畢業于哈爾濱工業大學儀器科學與技術專業，獲博士學位，教授；主要從事機械工程測試、嵌入式測控儀器方向的研究。