電機長期通電自動監測系統的設計

高佳歡，胡 輝，靜大鵬

(北華航天工業學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

工業生產過程中，經過長時間的運行，電機容易出現故障，這會導致與之有關的整個系統不能正常運行，產生嚴重的經濟損失。因此，設計一套電機長期通電自動監測系統，采集電機運行的數據，監測電機運行狀態，對保障電機正常運行、避免事故發生具有十分重要的意義。

該監測系統可對16個或16個中的任意一個或幾個電機的工作參數分別進行測試。測試的參數包括：每個電機電流(A、B、C三相)、功率(有功)、電源電壓(線間)、電源頻率、累計通電時間、溫度；帶過流自動切換功能，實現無人值守自動化測試及遠程監控的功能。該監測系統可實時動態地對電機進行測試。對數據進行采集、顯示、存儲、報警等功能。該監測系統具有高可靠性，能夠連續不斷電通電測試。

1 項目總體設計方案

通過直流穩壓電源給電機驅動器供電。采用FPGA產生脈沖的控制信號，分別控制脈沖波形、使能信號和方向控制信號，產生三相電源，使電機正常工作。通過電壓、電流變送器等數據采集模塊，采集電機的電壓、電流等數據信息。輸出信號經過線纜匯總接入到NI的集線盒中，在由標準電纜輸入到NI采集卡。上位PC機中使用LabVIEW編程驅動采集卡，實現對信號測量結果的顯示以及報警等功能。系統的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 總體方案設計框

2 硬件設計

該監測模塊由電源頻率檢測、電壓采集模塊、電流采集模塊、數據采集模塊、溫度采集、工控機、報警、顯示、按鍵輸入等模塊構成。硬件方案設計框圖如下圖2所示。

圖2 總體方案設計框

2.1 主控制器

主控制器采用研華IPC-610L工控機，該工控機采用標準4U機箱，I5六代處理器、4G內存，并且接口豐富：4個PCI，6個COM，10個USB，2個千兆網口。相較于其他的控制器如單片機、FPGA、DSP等，工控機具有明顯的優勢，如處理速度快、穩定性高、防潮，防塵，防振，有一定的可擴展性。其缺點為接口固定、成本相對較高。工控機的主要作用是對本次系統的設備及數據參數等進行監測與控制。

2.2 數據采集

如今數據采集技術飛速發展，由于傳統的基于單片機的數據采集系統，硬件設計復雜，開發周期長，故采用使用方便、功能齊全的數據采集卡來獲取數據[1]。本設計選用NI公司的NI-6255數據采集卡。它具有2路AO(2.86 MS/s)，80路AI(16位，1.25 MS/s)，24路DIO，PCI 多功能I/O設備以及模擬和數字觸發功能。

2.3 電流、電壓變送器

電壓變送模塊和電流變送模塊具有將工作電源、輸入信號、輸出信號三者相互隔離，能將輸入的交流電壓或交流電流轉換成4～20 mA或0～5V 標準信號輸出，具有精度高、線性好、調試簡單、工作穩定可靠等特點。

使用電流變送器可以直接將被測主回路交流電流或者直流電流轉換成按線性比例輸出的DC4～20 mA恒流環標準信號，連續輸送到接收裝置。本次跑合監測系統的電流變送器主要是對16個浮子的48路浮 子電流(A、B、C三相)的采集與處理。電流變送器主要是將被測電流轉換成模擬電壓，經過調理電路，有效值轉換芯片，A/D轉換器實現對電流的監測。

電壓變送模塊將陀螺浮子或加表浮子的供電電壓(1KHz的三相方波電源)變送成0～5V的標準模擬電壓。本次跑合監測系統的電壓變送器與電流變送器原理相似，主要是對12路電源電壓(線間)的采集與處理。電壓變送器同樣需要有效值轉換芯片以及A/D轉換器實現對電壓的監測。電壓、電流變送器電路實物連接圖如圖3所示。

圖3 電壓、電流變送器電路實物連接

2.4 溫度采集模塊

烘箱溫度采集模塊采用DS18B20，該溫度傳感器的輸出是數字信號，且具有體積小，精度高等特點。浮子表面溫度采集系統主要采用PT1000，由于PT1000熱電阻的電阻值隨溫度變化，故將電阻值轉化為電壓值的變化，經過信號調理和AD采樣，通過計算得到結果。

溫度采集模塊將采集的溫度值經過RS485總線傳輸至工控機。整套系統由兩個用于放置烘箱的機柜和一個測量機柜共3個機柜組成，烘箱機柜分上下兩層共放置4個烘箱。烘箱機柜和測量機柜使用電纜，通過航空插頭連接。

2.5 接線盒電路

通過LabVIEW配置，將輸出的采集信號匯總接入到對應NI的集線盒中。由標準電纜輸入到NI采集卡，在上位PC機中使用LabVIEW編程驅動采集卡對信號進行測量，并實時顯示結果。

3 軟件設計

軟件部分使用LabVIEW進行設計，完成數據采集、界面設計、數據顯示以及存儲，數據的報表打印。同時還可以實現測量值超過設置上限值時報警，通過繼電器進行斷電保護。此外可以在程序中控制繼電器，實現若干個電機的啟動和停止。

3.1 程序框圖

在程序框圖中完成通道的設置，即選擇對應的通道采集數據，以及對采集數據的處理和顯示，對錯誤信息的報警處理等。程序框圖如圖4所示。

圖4 程序框

3.2 電流顯示前面板

電流顯示前面板可以設置最大、最小電流，運行時間，采樣率等信息，通過3個波形圖表實時顯示三路輸出，便于觀察。

3.3 電壓顯示前面板

電壓顯示前面板，可以設置最大、最小電壓，運行時間，采樣率等信息，通過3個波形圖表實時顯示三路輸出，便于觀察。

4 系統測試

首先對該設備的外觀進行檢查，確保滿足需求。設備內部應布局合理、走線整齊、接地良好、應無漏電等安全隱患。

用實際電源，將本電機跑合系統電壓檢測端和高精度儀表(WT230)同時并聯在三相電源三端同步檢測[2]，分別對0 V、20 V、40 V、55 V進行檢定測量；串聯在三相電源單端同步檢測，分別對0 mA、20 mA、50 mA、80 mA、100 mA、200 mA、150 mA、300 mA進行測量，通過系統檢測數據與標準表數據做比較計算出誤差，連續重復測試三遍，每一遍都要求達到指標要求，完成對電壓、電流的測量。頻率計量可采用HP(安杰倫)的34401A，進行比對標定，每次測試1小時，重復測試3遍。均達到技術指標要求[3]。

同時滿足電壓量程0～75V，電壓精度0.5%；電流量程0～2 A，電流精度0.5%；功率量程0～10 W，功率精度2%；溫度測量范圍0～100 ℃；溫度測量精度±0.5 ℃的要求。

5 結語

本設計主要控制部分以工控機為核心，操作以基于LabVIEW的上位機來實現，從而實現無人值守自動化測試及遠程監控的功能。此外，系統還包括電源模塊，需要為電流、電壓、功率變送器和繼電器供電以使他們正常工作。開關控制模塊連同上位機，鼠標鍵盤實現對16個浮子的相關控制。該系統精度高、輸出穩定、滿足日常工程實踐的需要。