基于DSP的大型電氣設(shè)備在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 亮

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

0 引 言

DSP是一種性能較高的微處理器，適用于數(shù)字信號(hào)的處理[1]。數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，進(jìn)一步推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也拓寬了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)的DSP產(chǎn)品已經(jīng)非常豐富，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的品種也很多，因此在設(shè)計(jì)大型電氣設(shè)備在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，利用DSP技術(shù)的應(yīng)用會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

利用微處理器進(jìn)行控制，以數(shù)據(jù)處理作為其核心，再利用計(jì)算機(jī)、數(shù)字諧波及傳感等方面的技術(shù)進(jìn)行更多的參數(shù)在線監(jiān)測(cè)[2]。這種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)大量的信息數(shù)據(jù)，并節(jié)省數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)能夠快速地顯示、保存及傳輸，并實(shí)時(shí)做出警報(bào)，整個(gè)過(guò)程不需要人工進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)。這種技術(shù)也可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備缺陷檢測(cè)。

將DSP作為技術(shù)核心，用于大型電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)上，能夠大大突出其優(yōu)點(diǎn)[3]。DSP有多個(gè)轉(zhuǎn)換器、增加獲取能力的單元以及能承載超大容量的存儲(chǔ)器。這些設(shè)備為電路的設(shè)計(jì)、采樣交流以及控制通道的轉(zhuǎn)換提供了更方便的服務(wù)。DSP具備的高速串并端口為在線監(jiān)測(cè)裝置與上位機(jī)間的交流提供了保障，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，滿足了設(shè)備自動(dòng)化的需求。目前的市場(chǎng)上，DSP的性能普遍提高，但價(jià)格總體呈下降趨勢(shì)，因此價(jià)格優(yōu)勢(shì)大大超過(guò)了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)約了大量的成本?；贒SP的在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的資源及編程更加靈活，能夠使測(cè)量參數(shù)的改變更便捷，因此可以滿足不同電壓等級(jí)在測(cè)量時(shí)的需求。

1.2 信號(hào)獲取

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是單片機(jī)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。這種技術(shù)能夠基本保證計(jì)算的精確度，但信號(hào)取樣的模式存在不同的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)要求能夠準(zhǔn)確反映其電流運(yùn)動(dòng)的波形，并且做到電氣分離。信號(hào)的獲取主要分為如下兩種。

第一種是利用鉗形的電流互感器固定接地線，在其系統(tǒng)的輸出段能夠獲取到電流的信號(hào)。這種方法存在的弊端是難以保障傳出的電流信號(hào)不失真，誤差較大。第二種方式是在計(jì)算器外獲得監(jiān)測(cè)的信號(hào)。這種方法相較于第一種安裝簡(jiǎn)單，但取樣受到限制，計(jì)算器兩端電壓必須和流過(guò)計(jì)算機(jī)的電流成線性關(guān)系來(lái)保證電壓的信號(hào)能夠真實(shí)反映電流的波形。但大多數(shù)的計(jì)算器滿足不了這種線性關(guān)系。

基于這兩種方法存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)一種將信號(hào)由一匝穿芯式無(wú)緣交流傳感器套在末屏接地線上，在傳感器左右兩側(cè)的副邊上接入精密電阻的方法。這種方法的信號(hào)獲取接線方式較前兩種簡(jiǎn)單，并且精準(zhǔn)度更高，能夠滿足測(cè)量時(shí)所需的條件。

1.3 信號(hào)預(yù)處理

在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)的預(yù)處理是指將電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于之后系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程或其他作用的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)的調(diào)節(jié)要連接著傳感器，通過(guò)傳感器的電路信號(hào)要經(jīng)過(guò)過(guò)濾、放大及保護(hù)等環(huán)節(jié)，被處理成為適用于采集的信號(hào)，再進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)采集。信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的精度及穩(wěn)定度關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定度，在轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)出現(xiàn)不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)后面的環(huán)節(jié)不管怎樣計(jì)算都無(wú)法達(dá)到預(yù)期，因此轉(zhuǎn)換信號(hào)的電路設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

在大型電氣設(shè)備在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，以模塊化的設(shè)計(jì)思路結(jié)合硬件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將各裝置需要完成的不同任務(wù)進(jìn)行如下的軟件劃分，在程序上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩種。其中主程序又可分為起始模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、輸入輸出模塊及通信模塊。在通過(guò)這些模塊和中斷服務(wù)程序共同作用下，完成對(duì)大型電氣設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。這些軟件模塊在主程序的指令下能夠協(xié)作調(diào)配。在系統(tǒng)中，主程序要先進(jìn)行初始化操作，需要初始化的有系統(tǒng)時(shí)鐘、片內(nèi)外時(shí)鐘、管理器模塊、向量表及存儲(chǔ)器等，在初始化任務(wù)完成后才能開(kāi)始執(zhí)行后續(xù)的程序命令。

2.2 芯片選擇

軟件中的核心要素是芯片，由于芯片的種類有很多，所以在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于軟件的選擇是非常重要的，只有正確的選擇才能降低成本，增加系統(tǒng)精準(zhǔn)度。

在功率的損耗上，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大部分需要芯片的地方都是便攜式的產(chǎn)品，其電量都是儲(chǔ)存在產(chǎn)品本身，因此儲(chǔ)存電量少，需要功率消耗盡可能小的芯片。在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在編程上對(duì)于技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的要求較高，因此需要足夠大的內(nèi)存及容量，傳統(tǒng)的系統(tǒng)編碼會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，而芯片的?yīng)用使編程變得簡(jiǎn)單、方便，效率也有所提高。在數(shù)量上，芯片的數(shù)量直接決定著產(chǎn)品的成本，要在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，盡可能減少芯片的數(shù)量。

2.3 通信模塊

由于大型電氣設(shè)備在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，因此采集信息時(shí)會(huì)儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，但系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中不需要全部的被采集數(shù)據(jù)，只需要能夠顯示故障時(shí)的信息即可。根據(jù)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)的通信模塊會(huì)將正常工作室的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在上位軟件中，將故障信息進(jìn)行存儲(chǔ)。具體方法如下，在監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)，如果數(shù)值沒(méi)有超出設(shè)定的范圍，則每隔5 min覆蓋上一階段的數(shù)據(jù)；若在檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)故障，則中斷現(xiàn)有數(shù)據(jù)，將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)。軟件在這一過(guò)程中能夠做到對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的識(shí)別、處理及上報(bào)。

3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)比基于DSP的大型電氣設(shè)備在線狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)。在其他外界條件相同時(shí)，分別用兩種方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，分析并記錄兩種方法的檢測(cè)精度及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)量，并進(jìn)行記錄，表1為兩種方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄。

表1 兩種方法的檢測(cè)結(jié)果記錄表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及表格中記錄的數(shù)據(jù)可知，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力較強(qiáng)，一般在10～13個(gè)，而傳統(tǒng)方法只能存儲(chǔ)4～6個(gè)數(shù)據(jù)，并且在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度更高，基本維持在90%以上，而傳統(tǒng)方法精度只在70%上下浮動(dòng)。

基于DSP的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提高了監(jiān)測(cè)的精確度，避免了計(jì)算產(chǎn)生的誤差，同時(shí)在采集時(shí)通過(guò)DSP進(jìn)行采集也提高了轉(zhuǎn)換的精度。在存儲(chǔ)方式上，采用掉電保護(hù)技術(shù)增加了數(shù)據(jù)的可靠性，利用DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)大了存儲(chǔ)的空間。同時(shí)，基于DSP的在線檢測(cè)系統(tǒng)大大減少了計(jì)算量，提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度，保證系統(tǒng)能在異常運(yùn)行時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，提高了系統(tǒng)的可靠性優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

目前，電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理技術(shù)等。本文對(duì)于基于DSP的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒(méi)有做到充分地研究，對(duì)于未來(lái)的研究還應(yīng)該從理論、數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行更加深入的研究。此外，還要結(jié)合我國(guó)電氣設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際，探尋新的方法和技術(shù)，做到更快捷、方便地實(shí)施在線監(jiān)測(cè)及診斷。