全狀態(tài)起重機械電流檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研制

魏井君 王繼業(yè)

摘 要本文設(shè)計了一種全狀態(tài)起重機械電流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進行起重機械各運轉(zhuǎn)機構(gòu)電機的電壓、電流、功率等電氣參數(shù)的測量，并將數(shù)據(jù)通過無線串口通信方式實時傳送至計算機端，實現(xiàn)對起重機各機構(gòu)拖動電機運行數(shù)據(jù)的存儲、動態(tài)曲線顯示和后臺分析等功能，為起重機械的檢驗檢測提供了一種準確可靠的技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】起重機械 電流檢測 無線通信 實時采集

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，起重機械的應用越來越廣泛，尤其大型、超大型起重機械的數(shù)量越來越多。起重機械檢驗包括定期檢驗、監(jiān)督檢驗和委托檢驗，提高起重機械檢驗檢測的質(zhì)量，保障起重機械的運行安全是我們的重要工作目標，為實現(xiàn)這一目標必須有先進的檢驗檢測工具。而在目前起重設(shè)備的檢驗檢測中，電氣項目所使用的檢驗儀器多為電壓表、電流表等工具，無法全面準確判斷起重機械的真實運行狀態(tài)。為此，我們自主研制了一種全狀態(tài)起重機械電流檢測儀，并開發(fā)了一款基于VB6.0串口通信的起重機運行數(shù)據(jù)檢測軟件，通過對起重機械各運轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機電流電壓信號實時檢測，獲得數(shù)據(jù)并分析各運轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作狀態(tài)。

2 檢測系統(tǒng)介紹

本檢測系統(tǒng)中，便攜式計算機（上位機）通過無線通信適配器向全狀態(tài)起重機械電流檢測儀（下位機）發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，數(shù)據(jù)采集終端電流電壓互感器鉗在起重機運行電機的三相電源線上，采集到的電流電壓信號再由檢測儀無線發(fā)送至便攜式計算機，然后在計算機上實現(xiàn)電流電壓數(shù)據(jù)的存儲和分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。全狀態(tài)起重機械電流檢測儀、無線通信適配器和便攜計算機組成的檢測系統(tǒng)如圖2所示，其中無線通信適配器和便攜計算機之間通過USB數(shù)據(jù)線連接。

該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

（1）起重機供電系統(tǒng)電壓和電流參數(shù)測量；

（2）供電系統(tǒng)負荷能力、電氣裝置、動力線路和電機容量等校驗；

（3）電機負載情況測量；

（4）拖動同一運轉(zhuǎn)機構(gòu)的多臺電機負載均衡情況測量；

（5）起重機功耗測量和分析；

（6）輔助分析機械設(shè)備的運行狀態(tài)。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 檢測儀電路設(shè)計

本文設(shè)計的全狀態(tài)起重機械電流檢測儀結(jié)構(gòu)如圖3所示，該檢測儀結(jié)構(gòu)包括電壓和電流互感器、調(diào)制濾波電路、電能計量芯片電路、微控制器MCU、液晶顯示電路、無線通信電路、蜂鳴報警和按鍵電路、電源電路。電壓和電流互感器，將起重機械電動機的電壓電流信號進行轉(zhuǎn)換隔離；調(diào)制濾波電路，將互感器轉(zhuǎn)變后的信號調(diào)制成適當幅值的電壓信號，經(jīng)濾波處理后傳輸至電能計量芯片；電能計量芯片電路采用鉅泉電子公司的ATT7022E電能計量芯片；微控制器MCU采用德州儀器公司的MSP430F5438芯片，微控制器讀取電能計量芯片中的電壓電流數(shù)據(jù)并分析處理；液晶顯示器LCD采用128*64點陣帶中文字庫液晶屏；無線通信電路采用德州儀器公司的CC1101無線射頻芯片，用于與無線通信適配器建立無線數(shù)據(jù)連接；蜂鳴報警和按鍵電路用于儀器操作。

3.2 無線通信適配器電路設(shè)計

無線通信適配器通過USB接口與計算機連接，通過無線通信接口與全狀態(tài)起重機械電流檢測儀連接，實現(xiàn)無線通信和USB通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。無線通信適配器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。微控制器MCU采用德州儀器公司的MSP430F2012芯片，無線通信電路采用德州儀器公司的CC1101無線射頻芯片。

4 軟件設(shè)計

4.1 檢測儀嵌入式軟件設(shè)計

全狀態(tài)起重機械電流檢測儀的嵌入式軟件主要實現(xiàn)將電能計量芯片內(nèi)部存儲的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送給計算機，同時根據(jù)按鍵狀態(tài)將相應的數(shù)據(jù)顯示在檢測儀的液晶屏幕上。電流檢測儀上電啟動后，進入系統(tǒng)主程序，首先開始系統(tǒng)初始化，內(nèi)容包括：初始化MCU單元、LCD、無線通信芯片CC1101、電能計量芯片ATT7022E。初始化完成后，進入開機畫面，顯示電流檢測儀的無線通信地址、電池電量、儀器溫度和儀器型號信息。最后，系統(tǒng)開啟無線數(shù)據(jù)接收中斷和按鍵中斷用來響應相應的中斷請求，系統(tǒng)通過一個定時為1ms的定時器實現(xiàn)讀取電能計量芯片數(shù)據(jù)和刷新LCD的循環(huán)程序。進入無線接收中斷程序后，微控制器MCU通過SPI接口讀取無線通信芯片寄存器中操作指令，讀取電能計量芯片中數(shù)據(jù)，通過無線通信適配器發(fā)送至計算機端，實現(xiàn)電流檢測儀和計算機的通信連接。

無線通信適配器的嵌入式軟件主要實現(xiàn)無線通信協(xié)議和USB通信協(xié)議的裝換，軟件流程圖如圖5所示。

4.2 計算機端應用軟件設(shè)計

計算機端應用軟件程序是基于VB6.0串口通信技術(shù)開發(fā)的一款操作軟件，與全狀態(tài)起重機械電流檢測儀相結(jié)合，完成采集數(shù)據(jù)的存儲、顯示和分析工作，運行主界面如圖6所示。該軟件為單窗體操作界面，按功能劃分為5個功能模塊區(qū)，分別為：通信設(shè)置區(qū)、觸發(fā)方法區(qū)、單電機/多電機工況區(qū)、文件操作區(qū)和實時/歷史數(shù)據(jù)曲線顯示區(qū)。主要功能包括：

（1）實現(xiàn)上位機和下位機之間的串口通信，設(shè)置串口參數(shù)；

（2）數(shù)據(jù)存儲、顯示和分析操作的開始和停止功能；

（3）動態(tài)實時曲線顯示和全過程歷史曲線顯示功能；

（4）標尺線曲線分析功能；

（5）數(shù)據(jù)保存、導入和導出的操作功能；

（6）數(shù)據(jù)文件和圖形文件的打印功能。

5 結(jié)論

現(xiàn)場測試結(jié)果表明，本文設(shè)計研制的全狀態(tài)起重機械電流檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)起重機械中各運轉(zhuǎn)電機電壓和電流參數(shù)的測量，以及相關(guān)電氣參數(shù)的分析判斷，通過數(shù)據(jù)和動態(tài)曲線客觀反映各電機的實時運行狀態(tài)，有助于提高起重機械檢驗檢測準確性、可靠性和全面性。同時，該儀器還具有操作界面友好，使用方便，操作簡便，便于攜帶等特點。

參考文獻

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作者簡介

魏井君（1984-），男，工學碩士學位。現(xiàn)為廣州特種機電設(shè)備檢測研究院工程師，主要從事特種機電設(shè)備檢驗檢測工作。

作者單位

廣州特種機電設(shè)備檢測研究院 廣東省廣州市 510000