高可靠多功能電量監控器的研制

劉忠強，張 立，張春曉，孔祥飛，申安安

（沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽110043）

在城市市政建設中，雨水、污水等泵站的自動化技術日趨向信息化方向發展[1]，目前，在國內大部分城市泵站控制和管理還處于相對落后的狀態，泵站的維護工作多采用人工定期巡視，巡視人員兩次巡視時間間隔較長，電機一旦發生過流、過壓等系統故障，無法及時報警，無法合理、及時地控制泵站電機的啟停，不能及時做出相應的技術處理，嚴重時將會燒毀電機，造成積水無法排出等事故，影響正常的交通秩序，凸現出人工巡視的弊端，因此，泵站的正常運作至關重要，各泵站將對水泵電機的監控作為日常一項重要工作[2]，實時了解與監控水泵電機參數的工作狀態，此外，在電機運行的電網中，存在嚴重的電氣干擾，極易導致電子設備損壞，故在此研制了城市防澇排水泵站測控系統的電量監控器，該電量監控器采用多種保護措施，實現水泵電機在高干擾應用環境下的高可靠，當本地無線網絡出現故障時，通過現場串口配置，通過RS485 連接能迅速啟用現場有線通信[3]，增加了現場設備的冗余性。

1 泵站測控系統架構

城市防澇排水泵站測控系統的架構如圖1所示[4]。排水泵站所安裝的泵站監控儀包括無線雨量儀、無線流量儀、無線液位儀、無線電量監控器和無線射頻識別RFID（Radio Frequency IDentification）門禁等監控設備，該設備將采集到的信息通過無線ZigBee網絡[5]傳送轉發到ZigBee協調器，ZigBee協調器將數據通過RS485總線上傳到泵站中央監控器，并接受本站中央監控器下發的控制命令，執行相應的控制動作，泵站中央監控器也將信息發送到城市泵站監控中心，并接收城市泵站監控中心的指令，再通過通訊下達到泵站電量監控器，控制現場泵站電機的啟停[6]。

圖1 城市防澇排水泵站測控系統的架構Fig.1 Structure of measurement and control system of urban flood prevention and drainage pump station

2 電量監控器硬件設計

電量監控器作為泵站監控設備中的重要一員，電量監控器結構如圖2所示。

圖2 電量監控器結構框圖Fig.2 Block diagram of electricity monitor structure

高可靠多功能電量監控器采用意法半導體（ST）公司推出的基于ARM Cortex-M3系列STM32微控制器為控制核心[7]，負責控制相關部件及數據處理；電源模塊為電量監控器提供需要的對應電壓及功率；電參數測量模塊采集泵站電機的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因素、頻率和有功電度等電參數；本地配置通信模塊采用RS232 方式，支持升級電量監控器程序、參數的設置與查詢；數字量檢測模塊具有8 路接口電路，檢測直流供電電源是否有效供電，檢測電機處于啟動狀態還是停機狀態，采集相應電機啟停按鍵的狀態信息；存儲信息模塊采用Flash 數據存儲器，存儲器主要負責存放運行時的電參數信息，能夠保存7 d的電參數信息，另外還存放電量監控器的一些配置參數；數字量控制模塊具有4 路接口電路，用于電機的啟停控制及語音報警的開關動作，當水泵電機啟動時，語音報警器發出語音告警；人機鍵盤模塊及本地顯示器模塊實現人與監控器的信息交互，液晶顯示模塊能查詢電壓電流等電參數信息和電機的啟停狀態；無線及有線通信模塊負責與泵站中央控制器進行信息的收發雙向傳輸。

電量監控器所處的水泵電機環境，主要存在的干擾是雷擊、浪涌，進而引發過電壓、過電流等問題，嚴重影響電子產品安全與壽命，在此，過電流保護采用自恢復保險專用防護元件；過電壓保護使用穩壓二極管、瞬態電壓抑制器、壓敏電阻、氣體放電管等專用防護元件，無線通信電路對電源紋波的要求高，設計時采用了濾波電路，將電子監控器應用于強電環境中，設備和人的安全性是必須解決的，對于可靠性的設計主要包含在各個單元電路中。

3 各單元電路的設計

3.1 電源管理電路

電量監控器電源管理電路如圖3所示。

電源模塊解決在電機高干擾條件下電源可靠性問題，系統采用12 V 供電，電量監控器具有直流電源和蓄電池雙電源供電，供電方式的選擇是自適應識別的，當直流電源出現故障時，自動切換為蓄電池供電，電源模塊采用多重保護電路和濾波電路、隔離電路實現系統的電源高可靠性，熔斷器F1增加了電源的過電流保護；壓敏電阻VDR1，氣體放電管T1，雙向瞬態電壓抑制器D1與D5，單向瞬態電壓抑制器D2和穩壓管D4增加了電源的過電壓保護；差模濾波器L1，L2和共模濾波器L3減少了電源紋波，系統電源部分采用隔離電源U2設計，將該系統的電源與市電部分隔離開來。

圖3 電源管理電路Fig.3 Power management circuit

該電量監控器采用MORNSUN的隔離穩壓電源WRB1205S-2W，輸出5 V 電源，之后采用電容濾波，濾除高頻和低頻干擾，進一步降低電源紋波，5 V轉換3.3 V 采用Advanced Monolithic Systems 公司的AMS1117-3.3 芯片。

3.2 電參數測量電路

電參數測量模塊功能結構如圖4所示，圖中，交流電即為水泵電機的供電線路，電量監控器電參數測量模塊采集單相或三相交流電電壓、電流信號，電壓經過分壓電阻，電流經過高精度電流互感器[8]，把大電壓電流轉換為小電壓電流，然后通過濾波電路，信號進入電能計量芯片，實時采樣處理濾波后的信號，得出單相相電壓、相電流有效值、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數、線頻率等信息，STM32 微控制器通過SPI總線讀取電能計量芯片轉換后的數據，在此，電能計量芯片采用Cirrus Logic單相功率IC 芯片CS5484，利用三片分別用于交流電的A、B、C相，組合成三相功率采集[9]，信號隔離芯片采用光耦隔離器。

圖4 電參數測量功能結構框圖Fig.4 Block diagram of electrical parameter measurement structure

電參數測量模塊一相電壓采集電路如圖5所示，圖中，U1為獨立的一相電壓，電路采用壓敏電阻VDR2與雙向瞬態電壓抑制器D8并聯的形式達到電路中的浪涌雙重保護[10]。通過6個電阻分壓，將大電壓轉變為小電壓，滿足后端電能計量芯片要求的最大輸入電壓，電阻采用精度高的直插大電阻串聯，滿足系統的高精度及高穩定要求，之后通過電阻及電容對信號進行濾波，文中的電量監控器具有測量三路單相、三相三線制或三相四線制[11]中的三相電的電參數，三相電應用中，將三相的VINU-，VINV-，VINW-共地連接。

圖5 電參數測量一相電壓采集電路Fig.5 One phase voltage acquisition circuit for electric parameter measurement

電參數測量模塊一相電流采集電路如圖6所示，圖中，U3為高精度電流互感器，用于將電機的大電流轉變為小電流；R9為采樣電阻，將電流信號轉變為電壓信號，將IINA+與IINA-的電壓限伏在電能計量芯片要求的最大輸入電壓以下，采樣電阻選擇高精度電阻，同時R7與R10使信號變換為差分信號，雙向瞬態電壓抑制器D7與D9組成電壓限幅電路，將浪涌大電壓限幅在芯片可接受的最大電壓以下，三相電應用中將三相電流中的GND-N 共地連接。

圖6 電參數測量一相電流采集電路Fig.6 One phase current acquisition circuit for electric parameter measurement

圖7 電參數測量模塊與MCU 連接電路Fig.7 Electrical parameter measurement module and MCU interface circuit

電參數測量模塊與MCU 連接電路如圖7所示。系統中2 片CS5484 芯片U14，U15實現三路單相電壓有效值、電流有效值、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數、線頻率等信息獲取，MCU 通過SPI總線讀取電能計量芯片相關寄存器信息，經過運算處理算出三相合相電參數。

CS5484 芯片U14的XIN 管腳與XOUT 管腳外接晶振，CPUCLK 連接到CS5484 芯片U15的XIN，系統只用1個晶振，實現了2 片CS5484 芯片時鐘的同步，電參數測量模塊采用獨立的隔離電源模塊，將5 V 電源轉換為3.3 V 電源，CS5484與MCU之間采用數字隔離器Si8461，其中5 路信號從MCU發給CS5484，1 路信號從CS5484 發給MCU，通過電源隔離、信號隔離，電參數測量模塊與系統其它部分完全隔離，實現了強電對設備和人的安全性，同時解決了不同部分電路相互干擾的問題。

3.3 數字量檢測模塊電路

監控器數字量檢測模塊電路如圖8所示，接口電路包括熔斷器F2，壓敏電阻R45，光電耦合器TLP521。壓敏電阻有效地抑制開關浪涌；光電耦合器隔離了外部開關信號與內部電路，解決了外部開關信號對微控制器電路的干擾。

圖8 數字量檢測模塊電路Fig.8 Digital quantity detection module circuit

電能計量芯片采用Cirrus Logic 芯片CS5484[12]。

3.4 數字量控制模塊電路

高可靠多功能電量監控器數字量控制模塊電路如圖9所示，接口電路包括光電耦合器、續流二極管D20，輸出為繼電器輸出，光電耦合器將微控制信號與外部控制繼電器的信號進行電氣隔離，繼電器釋放時，繼電器線圈存在的電感會使線圈兩端產生較高感應電壓，增加續流二極管，繼電器線圈產生的感應電流由二極管流過，因此不會產生很高的感應電壓，從而保護了晶體管Q1。

圖9 數字量控制模塊電路Fig.9 Digital quantity control module circuit

3.5 有線通信模塊電路

高可靠多功能電量監控器有線通信模塊電路結構圖如圖10所示，圖中，有線通信RS485模塊采用獨立的隔離電源模塊，將5 V 電源與RS485的5 V電源隔離開，485 芯片采用ISL3152，ISL3152與MCU 之間采用光電耦合器CPL-060，通過電源隔離、信號隔離，有線通信RS485模塊輸出與系統其它部分完全隔離，RS485通信模塊的輸出端A與B之間連接有雙向瞬態電壓抑制器D17，輸出端A與機殼之間連接一個雙向瞬態電壓抑制器D18，輸出端B與機殼之間連接一個雙向瞬態電壓抑制器D16，增加了過電壓保護，輸出端A與端子之間連接熔斷器TC2，輸出端B與端子之間連接熔斷器TC1，增加過電流保護，根據不同的系統應用，可以通過開關選擇是否將上拉電阻、下拉電阻、匹配電阻接入電路中[13]。

圖10 有線通信模塊電路Fig.10 Wired communication module circuit

3.6 無線通信模塊電路

監控器無線通信模塊電路如圖11所示，該系統無線通信采用ZigBee網絡進行信息數據的傳輸，無線通信模塊選擇Digi 公司的XBee-PRO模塊，視距傳輸距離能達到3200 m，室內有隔擋物傳輸距離也能達到90 m，滿足泵站范圍內的通信距離，圖中，FB1為磁珠，磁珠與電容C37和C38的濾波進一步降低了電源的紋波。

圖11 無線通信模塊電路Fig.11 Wireless communication module circuit

4 軟件設計

在電量監控器軟件設計中，采用了面向過程的模塊劃分方法進行設計，STM32的軟件開發主要采用庫函數的方法，少部分代碼直接采用操作寄存器的編程方法[14]。

整個應用程序軟件包括底層驅動模塊、標定模塊、電參數采集處理模塊、報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、存儲及參量配置模塊、測試模式模塊、升級模塊、數據上傳模塊、定時模塊、Modbus處理模塊、維護功能模塊等，電量監控器中電參數采集處理模塊為核心，其流程如圖12所示。

5 系統測試

5.1 電參數精度測試

電參數精度測試如圖13所示，三相標準源發出標準信號給電量監控器，從電腦的上位機軟件讀出電量監控器傳輸給電腦的參數數據，電量監控器實現的精度與預期的指標對比見表1。

5.2 無線通信測試

圖12 電參數采集處理流程Fig.12 Flow chart of electric parameter acquisition and processing

圖13 電參數精度測試示意圖Fig.13 Schematic of electrical parameter accuracy test

表1 實現的精度與預期指標的對比Tab.1 Comparison between the accuracy achieved and the expected indexes

5.2.1 發射功率測試無線通信發射功率測試如圖14所示，電量監控器進入測試模式，使電量監控器無線通信模塊發射端全功率連續發射傳輸給N4010 無線連接測試儀，在電量監控器連續發射情況下，在電腦端安捷倫89600 軟件中讀出電量監控器無線通信模塊的輸出功率。

圖14 無線通信發射功率測試示意圖Fig.14 Schematic of wireless communication transmission power test

5.2.2 接收靈敏度測試

無線通信接收靈敏度測試如圖15所示，電量監控器進入測試模式，關閉電量監控器無線通信模塊發射端輸出，N4010 無線連接測試儀在最小要求接收功率值下發射100 包字節長度為22 B的數據，計算機測試上位機統計電量監控器的RS232端口的接收成功率應≤0.1%[15]。

圖15 無線通信接收靈敏度測試示意圖Fig.15 Schematic of wireless communication receiving sensitivity test

電量監控器無線通信參數實現指標與預期指標的對比見表2。

表2 無線通信參數實現指標與預期指標的對比Tab.2 Comparison between the realization indexes and expected indexes of wireless communication parameters

5.3 功能測試

電量監控器安裝于現場，在電機運行及天氣惡劣的現場環境中，電量監控器啟停電機功能正常，上傳數據準確，無丟包現象，各種功能穩定運行。

6 結語

所設計的高可靠、多功能電量監控器硬件和軟件均采用模塊化設計方法，該系統具有測量水泵電機的電參數、檢測電機啟停狀態、控制電機的啟動與停止、現場報警、現場數據查詢、數據遠傳等多種功能；在支持無線通信的情況下，有線通信的加入是故障的有益快速解決手段；在電路上的過電壓、過電流保護措施有效地解決了浪涌問題；采用隔離技術有效地解決了強電應用中安全問題和不同電路的互相干擾問題，使電量監控器穩定運行在電機運行的環境，整個系統實現了城市防澇排水泵站的全自動化，不但實現了泵站抽水泵運轉情況的實時監控，為及時處理故障提供條件，同時實現了城市防澇排水泵站的無人值守，具有實用和推廣價值。