大型機電設備電氣參數監測與故障診斷裝置*

符長友

（四川理工學院 計算機學院,四川 自貢 643000）

作為企業生產重要工具的機電設備正向大型化、自動化、機電一體化等方面發展，其性能與復雜程度不斷提高，各部件之間的相互關聯、耦合度也越來越密切。如果設備出現的微小故障不能及時被檢測、排除，將有可能造成設備失效，乃至整個生產線癱瘓，甚至導致重大的災難性后果[1-2]。因此，各生產企業迫切需要一套監測、診斷裝置，對大型機電設備的運行參數進行監測、診斷，及早發現設備異常征兆與劣化信息,并找出故障的確切原因,及時提示工作人員采取正確的操作處理，從而有效避免故障發生，減少故障停機時間和停機損失[1-3]。

目前大型機電設備的運行參數監測儀通常采用動態監測技術，即偵測其機械振動、溫度、壓力等運行參數。由于機電設備運行時存在諧波共振、自激振動、混沌振動與分叉現象，采用振動監測難以對異常征兆作出精確判斷[4]。而金屬溫度變化具有滯后性，采用溫度監測也難以實時監測[2]。機電設備的壓力具有非線性、時變性與非平穩性的特點，采用壓力監測也同樣難以實現故障的精確判定[4]。為此，本文提出采用監測電氣參數技術，即采用專業的三相電能計量芯片，對大型機電設備的電氣參數實施在線監測。將所監測的電氣參數進行處理、分析，再與標準值比較。最終根據其結果及變化趨勢，及時得出異常征兆信息[4]，并實施相應的控制與預警操作，避免故障與事故發生。

1 系統結構設計及工作原理

物聯大型機電設備電氣參數實時監測與故障動態診斷裝置由多個電氣參數監控儀與故障動態診斷中心構成。為了確保監控儀與故障動態診斷中心間的通信質量以及便于工程施工，采用WIFI無線通信方式，如圖1所示。電氣參數監控儀的功能是實時監測、顯示機電設備的電氣參數，并進行故障動態診斷，實行相關控制與預警操作。同時，將電氣參數無線傳送到遠端服務器，由故障動態診斷中心讀取數據。此外，可接收遠端服務器發來的控制指令，進行相關處理。電氣參數監控儀由電氣參數采集、嵌入式微處理器、實時時鐘、LCD顯示、WIFI無線通信與控制等模塊構成，如圖2所示。

故障動態診斷中心的功能為讀取服務器上各個電氣參數監控儀的電氣參數，并進行處理、存儲以及故障動態診斷、預警。同時，可對相關電氣參數監控儀進行遠程控制。因此，故障動態診斷中心為基于服務器的電氣參數管理軟件，由VC、數據庫實現。

2 主要電路設計

2.1 電氣參數監測電路設計

電氣參數監測是電氣參數監控儀的重要組成部分，采用高精度三相電能計量芯片ATT7022D。該芯片由7路二階sigma-delta ADC模擬信號采樣、DSP、脈沖生成、SPI通信接口、時鐘控制電路單元等單元構成[5]。

ATT7022D監測機電設備的電氣參數，包括A、B、C各分相與合相的電流、電壓、功率、電能以及功率因數、線頻等參數。微處理器通過SPI接口讀取該芯片的寄存器進行運算處理，便可獲得實際電氣參數值。其電路設計如圖3所示，圖中只給出了 A相接法，而 B、C相接法與A相完全相同。

2.2 WIFI通信電路設計

WIFI無線通信采用WIFI-03A模塊，其內置無線網絡IEEE802.11協議棧、TCP/IP協議棧與WEB服務器，通過UART接口實現用戶數據到無線網絡之間的交換[6]。

WIFI-03A支持透明數據傳輸模式,支持AT指令集，支持DHCP協議動態IP地址分配和DNS域名解析功能。微處理器通過串口對該模塊操作，其電路設計如圖4左上方所示。

2.3 微處理器電路設計

微處理器采用低功耗16 bit嵌入式RISC結構的MSP430F2616芯片，集成了硬件乘法器、6路12 bit ADC轉換器、2路 12 bit DAC轉換器、16 bit定時/計數器和 4路通用串接口,存儲容量為92 KB的Flash ROM與4 KB的RAM[7]，其電路設計如圖4右方所示。

2.4 實時時鐘電路設計

為了確保電氣參數采集的實時性，采用SD2058作為系統的實時時鐘。該芯片具有標準I2C串口與后備電池切換功能，微處理器通過該接口讀取時鐘寄存器(包括年、月、日、星期、時、分、秒等信息)[8]，其電路設計如圖4左下方所示。

3 軟件程序設計

3.1 電氣參數采集子程序

微處理器從ATT7022D的電氣參數寄存器中讀取24 bit電氣參數，經相關運算處理后，得到實際的監測值。然后再與標準計量儀器的計量值進行比對、修正，最后得出實際的電氣參數值。最后實測值與設備規定的標準值進行比較以實現故障動態診斷。讀取A相有功功率的例程如下：

3.2 WIFI無線通信子程序

微處理器通過UART接口發送AT指令，以實現對WIFI模塊讀寫操作。在操作之前必須對WIFI模塊進行相關配置，否則操作無效。下面是微處理器發送AT指令的例程：

4 系統測試結果

4.1 電氣參數監測儀測試

為了進一步驗證整個裝置的工作情況，以寧波海豐塑料機械有限公司的HF1200塑料注射成型機作為其測試對象。通過RIGOL公司的6位半數字萬用表DM3064與FLUKE公司的功率分析儀NORMA 5000的測試值作為計量值，在空載與負載的情況下所監測的電氣參數如表1所示。

4.2 WIFI通信波特率測試

在整個裝置正常運行的情況下，利用UART-WIFI配置管理程序軟件,測試WIFI模塊的波特率可高達57.6 Kb/s。

實驗表明，物聯大型機電設備電氣參數實時檢測與故障動態診斷裝置不僅實現了大型機電設備電氣參數的實時在線監測、顯示、無線通信與管理，而且還實現了故障動態診斷與預警處理，從而有效避免了故障的發生，為“預知維修”提供了技術保障，并提高了維修質量。此外，本裝置可同時監控多臺機電設備，進步提高生產效率。具有廣闊的應用前景與市場前景。

表1 監測儀的監測值與專用設備的計量值對比表

[1]馬宏忠.電機狀態監測與故障診斷[M].北京：機械出版社,2007.

[2]徐貞禧.汽輪機設備故障診斷與預防[M].北京：中國電力出版社,2011.

[3]金立軍,錢政,關永剛.現代電氣檢測技術[M].北京：電子工業出版社,2007.

[4]史鐵林,陳勇輝,李巍華,等.提高大型復雜機電系統故障診斷質量的幾種新方法[J].機械工程學報,2003,9(39):1-10.

[5]鉅泉光電科技（上海）股份有限公司.ATT7022D用戶手冊V1.0[M].鉅泉光電科技(上海)股份有限公司,2009.

[6]東莞文勝鼎電子科技有限公司.UART串口WIFI-03A模塊用戶手冊V1.0[M].東莞文勝鼎電子科技有限公司,2010.

[7]Texas Instruments.Datasheet of MSP430F2616[EB/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2616.pdf.

[8]深圳市興威帆電子技術有限公司.SD2058技術手冊V1.0[M].深圳市興威帆電子技術有限公司,2011.