基于工業無線網絡的電機能耗診斷平臺及系統

唐麗嬋 齊亮 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 （200070）

唐麗嬋（1983年~），女，本科，上海理工大學電氣工程及其自動化專業畢業。現就職于上海電氣中央研究院電氣研究室，主要從事機電節能技術研究。

0 引言

我國工業生產過程中大量使用以中小型電動機為動力的拖動系統（90%以上的電動機屬于中小型電動機），這部分系統的電能消耗非常大，通常可以占到企業電能消耗的30%～40%,但目前限于成本的考慮，其運行過程中無法得到有效的監控和調節，電能浪費嚴重。所以研究如何有效地檢測電機的運行狀況，保證電機能夠高效、無故障地運行，使電機處于低功耗工作狀態，具有極大的經濟價值和戰略意義。

本項目研制的基于工業無線網絡的電機能耗診斷平臺及系統具有測量精度高、安裝方便、操作簡單、成本低廉等特點，特別適合于對工業生產中廣泛使用的中小型電機的在線監測。

1 電機能耗診斷系統的硬件設計

1.1 系統的總體設計

本文所設計的電機能耗診斷平臺是基于數字信號分析理論基礎上的在線故障診斷裝置，這種裝置的突出特點是需要在現場實時對數據進行快速運算處理并給出分析結果，對于需要進一步分析診斷的數據需要保存或傳輸到上位機。因此該系統分為上位機與下位機兩大部分。下位機為信號采集與處理終端，安裝在電機控制中心，可以實現對電機的定子電流、電壓信號進行采集與處理，以此來獲得電機的運行狀態參數，并將相關的信息發送給上位機。上位機為電機監測中心，接收由下位機上傳的電機運行參數，并在監控畫面上實時顯示這些參數的瞬時值和時域曲線。為便于對電機效率分析與能源管理，我們將采集的數據同時存入監測數據庫中以便于今后的查詢[1]。

上位機與下位機之間采用Zigbee無線協議與路由器及協調器進行通信,如圖2-1所示。該技術具有低成本、短延時、高安全性、高網絡容量的特點，這使得此裝置可以作為分布式系統結構的底層檢測站，由高層的檢測計算機端對各個檢測點進行統籌管理、檢測顯示以及進一步分析處理。

圖1 電機能耗診斷系統結構

1.2 DSP信號處理單元設計

DSP信號處理單元硬件部分包括DSP最小系統、信號調理模塊、A/D轉換器、外擴RAM及串行通信等部分。電機能耗診斷系統中DSP處理部分的硬件布置如圖2所示。

圖2 基于TMS320F2812的控制板硬件布置

1.3 信號調理電路設計

數據采集的信號調理如圖2-3所示。由于雙極性信號不能直接接入TMS320F2812的A/D輸入引腳，因此可以通過電平抬高電路將其抬高到1.5V，得到峰值為0～3V的電壓信號，接入DSP的AD輸入通道ADIN0。三部分運算放大器構成的電路分別是極性轉換電路、比例調節電路、隔離電路。

圖3 信號調理電路

1.4 無線通訊部分設計

現代無線通信的標準有很多，例如3G、WiFi、Bluetooth、WIMAX、ZigBee等。其中，ZigBee技術是應用于短距離范圍內的專門為遠程監測和控制而設計的無線網絡技術，其功耗低、成本低等優點使它很適用于各種無線監控領域。

ZigBee采用IEEE802.15.4協議為基礎，增加了邏輯網絡、網絡安全和應用軟件層，更加適合與產品技術一體化，加強了產品的通用性。它提供一種高可靠的無線連接，其通信距離從標準的75m到幾百米甚至幾公里，可以無限擴展。在整個網絡范圍內，每個ZigBee網絡模塊之間都可以相互通信，每個ZigBee網絡節點本身不僅可以作為監測對象[2]，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監測，還可以自動中轉其他網絡節點傳輸的數據信息。

系統以無線模塊ZMN2400HP為核心，可進行SCI串行通信，或ZigBee無線通信。無線模塊ZMN2400HP只需極少外部元器件，就可以達到穩定的性能且功耗極低，其選擇性和敏感性指數超過了IEEE8O2.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

圖4 無線通信模塊

1.5 傳感部分電路設計

傳感電路主要采用兩個電流傳感器、兩個電壓傳感器來檢測兩路線電流、兩路線電壓。輸出皆為0～±5V（可調）的電壓量。這部分電路主要包括電源模塊、電壓傳感模塊以及電流傳感模塊三部分組成。

圖5 電壓傳感器

圖6 電流傳感器

1.6 電源模塊的設計

TMS320F2812芯片采用雙供電模式，1.8V（主頻135MHz）內核電壓和3.3V外圍接口電壓。通常芯片的上電順序是：先加載外圍接口電壓3.3V，當外圍接口電壓升至2.5V時開始加載芯片核電壓1.8V，電壓爬升小于10ms。該芯片下電的順序是：先斷開外圍接口電壓3.3V，而復位信號始終低有效并保持8us，接著使芯片核電壓1.8V降為0。

一般市面上所售的開關電源均為+5V電壓，要滿足上述供電要求必須采用電源轉換芯片組。本系統中采用的電源轉換芯片與DSP芯片均為TI公司生產，芯片之間的兼容性好，可靠性高，性能參數指標具有一致性。電源芯片TPS767D318為+5V外接電壓轉換+3.3V提供可能，采用可調電源芯片TPS767D318為TMS320F2812提供1.8V（主頻135MHz）或1.9V（主頻150MHz）的核電壓。

1.7 SCI接口的設計

SCI稱為串行通信接口，它是一種采用雙信號線的異步串行通信接口。它的主要任務是將片內A/D采集到的十進制或十六進制數據傳輸到微機端，使得相關技術人員能夠在計算機上完成數據的分析和處理。

TMS320F2812處理器提供2組SCI接口，分別為SCITXDA、SCIRXDA、SCITXDB、SCIRXDB，其中SCIRXD為SCI數據接收引腳，SCITXD為SCI數據發送引腳。兩個引腳為多功能復用引腳，不用時可做通用數字量I/O。TMS320F2812芯片的SCI接口特點概括如下：

可編程通信速率，可以設置64 k種通信速率；

支持全雙工或者半雙工通信模式；

具有雙緩沖接收和發送功能；

發送和接收可以采用中斷和狀態查詢兩種方式；數據格式

?1個啟動位

?1~8位可編程數據字長度

?可選擇奇偶校驗或無校驗位模式

? 1或2位停止位[3]。

圖7所示為F2812芯片的SCI接口電路原理。

圖7 F2812芯片的SCI接口電路

2 系統的軟件設計

軟件主要設計包括三部分，電機信號的采集和參數計算，無線通信，以及上位機上運行的電機參數顯示存儲分析軟件。

計算模塊總體流程如圖9所示，原始數據首先需要進行預處理，計算電壓電流有效值和視在功率；分別結算轉矩和轉速，進而到輸出功率；計算輸入功率，有視在功率和輸出功率可以分別得到功率因數和效率。計算模塊中包含了常規電機監測中所要求的所有參數。

2.1 數據采集及參數計算部分軟件設計

圖8 數據采集模塊邏輯流程

圖9 計算模塊總體流程

2.2 數據傳輸

數據傳輸部分的主要功能是從無線模塊接收數據幀，執行相應功能。DSP分為三種工作狀態：正常運行狀態、參數配置狀態、原始數據上傳狀態。輸入項無線模塊傳來的數據幀。輸出項執行相應功能。

圖10 串口接收邏輯流程

圖11 計算結果上傳邏輯流程

根據無線模塊傳來的數據幀判斷執行參數配置或原始數據上傳功能，此時正常數據采集計算功能暫停。計算結果上傳模塊功能將計算結果通過SCI傳給無線通板。將DSP結算結果通過總線傳送給無線節點。所設計的數據楨結構如表1所示。

表1 數據楨結構

2.3 上位機軟件設計

上位機主要運行電機能耗診斷系統，其主要功能包括：

（1）監測數據接收與存儲

（2）監測節點管理

（3）遠程監測

（4）歷史查詢

（5）性能分析和用電統計

監測數據接收與存儲功能由兩部分組成：監測服務程序與監測服務管理程序。監測服務程序以Windows NT服務的形式發布，在后臺自動運行，提供數據接收、協議解析、數據存儲和用戶命令監測（即用戶對無線模塊進行參數配置等數據發送服務）等服務。監測服務管理程序可以監視監測服務程序的運行狀態，啟動、重啟和停止監測服務程序，以及配置監測服務程序運行參數。

監測點管理程序負責監測點的管理，包括監測點的增加、刪除和修改以及配置參數的上傳，如圖12所示。監測點的參數分為兩類，一類是管理參數，包括類型、名稱、電流范圍、電壓范圍、功率范圍、轉矩范圍、轉速范圍、額定電壓、額定電流；一類是配置參數，即上傳到無線模塊的參數，包括DSP板系數Ia、Ib、Uab、Uca，傳感器板系數Ia、Ib、Uab、Uca，1/2線間電阻、采樣頻率、電機槽數、電機級數、損耗系數。

圖12 監測點管理

遠程監測可以運行在局域網中任意一臺PC機中，實現對監測數據的呈現。如圖13為所設計的系統的主界面，從該界面可以分別訪問到歷史查詢、性能分析和用電統計界面。本系統中主要監測的參數主要如下：

（1）電機監測參數：包括電機轉速、轉矩、輸入功率、輸出功率、效率、電壓有效值、電流有效值、功率因數和用電量。

（2）電爐監測參數：包括線電壓Uab、Uca，線電流Ia、Ib、輸入功率和本月用電量。

（3）電表監測參數：包括A相電流、B相電流、C相電流、平均電壓、輸入功率和本月用電量。

圖13 電機在線監測-儀表面板

圖14 在線監測畫面

歷史查詢功能只對電機有效。首先，設定查詢時間范圍，即起始時間和終止時間，然后，從設備列表中選擇要查詢的設備，系統即可繪制出設備在指定時間范圍內的波形圖。

電機性能分析包括效率-轉速、轉矩-轉速、輸入功率-轉速、輸出功率-轉速、效率-輸出功率、轉矩-輸出功率。用電統計可生成指定設備類型或設備在設定時間范圍內的用電曲線圖。導出曲線功能可以將用電曲線保存為圖片。

3 結 語

本文所設計的系統不僅能夠監測各監測點的用電量，而且在僅使用電流傳感器而不增加其他傳感器的條件下，可以對電機能效進行評估，實時監測電機能效。由于采用了無線傳輸技術，大大減少了系統的布線，在工程應用中施工工作量很小，克服了傳統系統的改造升級中，工業應用現場布線成本非常高的障礙。面對國家節能減排的宏觀環境，將有效解決企業中小型電機的狀態監測與系統節能問題，為企業創造顯著的經濟效益與社會效益。該技術具有非常好的市場前景。

[1] 胡靜濤.工業無線通信技術[J].儀器儀表標準化與計量,2008.

[2]張帆.基于ZigBee技術的生態化污水處理無線自動監測系統的設計與實現[D].北京化工大學,2009.

[3] 蘇奎峰，呂強，常天慶，張永秀.TMS320X281X DSP原理及C程序開發[M].北京航空航天大學出版社.2008.