基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)能耗診斷平臺(tái)及系統(tǒng)

唐麗嬋 齊亮 上海電氣集團(tuán)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(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)?，F(xiàn)就職于上海電氣中央研究院電氣研究室，主要從事機(jī)電節(jié)能技術(shù)研究。

0 引言

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大量使用以中小型電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的拖動(dòng)系統(tǒng)（90%以上的電動(dòng)機(jī)屬于中小型電動(dòng)機(jī)），這部分系統(tǒng)的電能消耗非常大，通?？梢哉嫉狡髽I(yè)電能消耗的30%～40%,但目前限于成本的考慮，其運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法得到有效的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。所以研究如何有效地檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀況，保證電機(jī)能夠高效、無(wú)故障地運(yùn)行，使電機(jī)處于低功耗工作狀態(tài)，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

本項(xiàng)目研制的基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)能耗診斷平臺(tái)及系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，特別適合于對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的中小型電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)。

1 電機(jī)能耗診斷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)能耗診斷平臺(tái)是基于數(shù)字信號(hào)分析理論基礎(chǔ)上的在線故障診斷裝置，這種裝置的突出特點(diǎn)是需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速運(yùn)算處理并給出分析結(jié)果，對(duì)于需要進(jìn)一步分析診斷的數(shù)據(jù)需要保存或傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。因此該系統(tǒng)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩大部分。下位機(jī)為信號(hào)采集與處理終端，安裝在電機(jī)控制中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的定子電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采集與處理，以此來(lái)獲得電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將相關(guān)的信息發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)為電機(jī)監(jiān)測(cè)中心，接收由下位機(jī)上傳的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并在監(jiān)控畫面上實(shí)時(shí)顯示這些參數(shù)的瞬時(shí)值和時(shí)域曲線。為便于對(duì)電機(jī)效率分析與能源管理，我們將采集的數(shù)據(jù)同時(shí)存入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中以便于今后的查詢[1]。

上位機(jī)與下位機(jī)之間采用Zigbee無(wú)線協(xié)議與路由器及協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,如圖2-1所示。該技術(shù)具有低成本、短延時(shí)、高安全性、高網(wǎng)絡(luò)容量的特點(diǎn)，這使得此裝置可以作為分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層檢測(cè)站，由高層的檢測(cè)計(jì)算機(jī)端對(duì)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌管理、檢測(cè)顯示以及進(jìn)一步分析處理。

圖1 電機(jī)能耗診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 DSP信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

DSP信號(hào)處理單元硬件部分包括DSP最小系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)RAM及串行通信等部分。電機(jī)能耗診斷系統(tǒng)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(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的信號(hào)調(diào)理如圖2-3所示。由于雙極性信號(hào)不能直接接入TMS320F2812的A/D輸入引腳，因此可以通過(guò)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(hào)，接入DSP的AD輸入通道ADIN0。三部分運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路分別是極性轉(zhuǎn)換電路、比例調(diào)節(jié)電路、隔離電路。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

1.4 無(wú)線通訊部分設(shè)計(jì)

現(xiàn)代無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)有很多，例如3G、WiFi、Bluetooth、WIMAX、ZigBee等。其中，ZigBee技術(shù)是應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)的專門為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)使它很適用于各種無(wú)線監(jiān)控領(lǐng)域。

ZigBee采用IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件層，更加適合與產(chǎn)品技術(shù)一體化，加強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性。它提供一種高可靠的無(wú)線連接，其通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米甚至幾公里，可以無(wú)限擴(kuò)展。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊之間都可以相互通信，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身不僅可以作為監(jiān)測(cè)對(duì)象[2]，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)以無(wú)線模塊ZMN2400HP為核心，可進(jìn)行SCI串行通信，或ZigBee無(wú)線通信。無(wú)線模塊ZMN2400HP只需極少外部元器件，就可以達(dá)到穩(wěn)定的性能且功耗極低，其選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE8O2.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。

圖4 無(wú)線通信模塊

1.5 傳感部分電路設(shè)計(jì)

傳感電路主要采用兩個(gè)電流傳感器、兩個(gè)電壓傳感器來(lái)檢測(cè)兩路線電流、兩路線電壓。輸出皆為0～±5V（可調(diào)）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(shè)計(jì)

TMS320F2812芯片采用雙供電模式，1.8V（主頻135MHz）內(nèi)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(dāng)外圍接口電壓升至2.5V時(shí)開(kāi)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(kāi)外圍接口電壓3.3V，而復(fù)位信號(hào)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(kāi)關(guān)電源均為+5V電壓，要滿足上述供電要求必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片組。本系統(tǒng)中采用的電源轉(zhuǎn)換芯片與DSP芯片均為TI公司生產(chǎn)，芯片之間的兼容性好，可靠性高，性能參數(shù)指標(biāo)具有一致性。電源芯片TPS767D318為+5V外接電壓轉(zhuǎn)換+3.3V提供可能，采用可調(diào)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(shè)計(jì)

SCI稱為串行通信接口，它是一種采用雙信號(hào)線的異步串行通信接口。它的主要任務(wù)是將片內(nèi)A/D采集到的十進(jìn)制或十六進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)端，使得相關(guān)技術(shù)人員能夠在計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收引腳，SCITXD為SCI數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。兩個(gè)引腳為多功能復(fù)用引腳，不用時(shí)可做通用數(shù)字量I/O。TMS320F2812芯片的SCI接口特點(diǎn)概括如下：

可編程通信速率，可以設(shè)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(fā)送功能；

發(fā)送和接收可以采用中斷和狀態(tài)查詢兩種方式；數(shù)據(jù)格式

?1個(gè)啟動(dòng)位

?1~8位可編程數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度

?可選擇奇偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn)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(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要設(shè)計(jì)包括三部分，電機(jī)信號(hào)的采集和參數(shù)計(jì)算，無(wú)線通信，以及上位機(jī)上運(yùn)行的電機(jī)參數(shù)顯示存儲(chǔ)分析軟件。

計(jì)算模塊總體流程如圖9所示，原始數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算電壓電流有效值和視在功率；分別結(jié)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而到輸出功率；計(jì)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(shù)和效率。計(jì)算模塊中包含了常規(guī)電機(jī)監(jiān)測(cè)中所要求的所有參數(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)計(jì)算部分軟件設(shè)計(jì)

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊邏輯流程

圖9 計(jì)算模塊總體流程

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分的主要功能是從無(wú)線模塊接收數(shù)據(jù)幀，執(zhí)行相應(yīng)功能。DSP分為三種工作狀態(tài)：正常運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)配置狀態(tài)、原始數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)。輸入項(xiàng)無(wú)線模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀。輸出項(xiàng)執(zhí)行相應(yīng)功能。

圖10 串口接收邏輯流程

圖11 計(jì)算結(jié)果上傳邏輯流程

根據(jù)無(wú)線模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)幀判斷執(zhí)行參數(shù)配置或原始數(shù)據(jù)上傳功能，此時(shí)正常數(shù)據(jù)采集計(jì)算功能暫停。計(jì)算結(jié)果上傳模塊功能將計(jì)算結(jié)果通過(guò)SCI傳給無(wú)線通板。將DSP結(jié)算結(jié)果通過(guò)總線傳送給無(wú)線節(jié)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要運(yùn)行電機(jī)能耗診斷系統(tǒng)，其主要功能包括：

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)

（2）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)管理

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

（4）歷史查詢

（5）性能分析和用電統(tǒng)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)功能由兩部分組成：監(jiān)測(cè)服務(wù)程序與監(jiān)測(cè)服務(wù)管理程序。監(jiān)測(cè)服務(wù)程序以Windows NT服務(wù)的形式發(fā)布，在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，提供數(shù)據(jù)接收、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和用戶命令監(jiān)測(cè)（即用戶對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行參數(shù)配置等數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)）等服務(wù)。監(jiān)測(cè)服務(wù)管理程序可以監(jiān)視監(jiān)測(cè)服務(wù)程序的運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)、重啟和停止監(jiān)測(cè)服務(wù)程序，以及配置監(jiān)測(cè)服務(wù)程序運(yùn)行參數(shù)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理程序負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加、刪除和修改以及配置參數(shù)的上傳，如圖12所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)分為兩類，一類是管理參數(shù)，包括類型、名稱、電流范圍、電壓范圍、功率范圍、轉(zhuǎn)矩范圍、轉(zhuǎn)速范圍、額定電壓、額定電流；一類是配置參數(shù)，即上傳到無(wú)線模塊的參數(shù)，包括DSP板系數(shù)Ia、Ib、Uab、Uca，傳感器板系數(shù)Ia、Ib、Uab、Uca，1/2線間電阻、采樣頻率、電機(jī)槽數(shù)、電機(jī)級(jí)數(shù)、損耗系數(shù)。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)可以運(yùn)行在局域網(wǎng)中任意一臺(tái)PC機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。如圖13為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主界面，從該界面可以分別訪問(wèn)到歷史查詢、性能分析和用電統(tǒng)計(jì)界面。本系統(tǒng)中主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)主要如下：

（1）電機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)：包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(shù)和用電量。

（2）電爐監(jiān)測(cè)參數(shù)：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(jiān)測(cè)參數(shù)：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(jī)在線監(jiān)測(cè)-儀表面板

圖14 在線監(jiān)測(cè)畫面

歷史查詢功能只對(duì)電機(jī)有效。首先，設(shè)定查詢時(shí)間范圍，即起始時(shí)間和終止時(shí)間，然后，從設(shè)備列表中選擇要查詢的設(shè)備，系統(tǒng)即可繪制出設(shè)備在指定時(shí)間范圍內(nèi)的波形圖。

電機(jī)性能分析包括效率-轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速、輸入功率-轉(zhuǎn)速、輸出功率-轉(zhuǎn)速、效率-輸出功率、轉(zhuǎn)矩-輸出功率。用電統(tǒng)計(jì)可生成指定設(shè)備類型或設(shè)備在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的用電曲線圖。導(dǎo)出曲線功能可以將用電曲線保存為圖片。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)電機(jī)能效進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)能效。由于采用了無(wú)線傳輸技術(shù)，大大減少了系統(tǒng)的布線，在工程應(yīng)用中施工工作量很小，克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的改造升級(jí)中，工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)布線成本非常高的障礙。面對(duì)國(guó)家節(jié)能減排的宏觀環(huán)境，將有效解決企業(yè)中小型電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)節(jié)能問(wèn)題，為企業(yè)創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。該技術(shù)具有非常好的市場(chǎng)前景。

[1] 胡靜濤.工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2008.

[2]張帆.基于ZigBee技術(shù)的生態(tài)化污水處理無(wú)線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京化工大學(xué),2009.

[3] 蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，張永秀.TMS320X281X DSP原理及C程序開(kāi)發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2008.