符長友

（四川理工學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院,四川 自貢 643000）

作為企業(yè)生產(chǎn)重要工具的機(jī)電設(shè)備正向大型化、自動化、機(jī)電一體化等方面發(fā)展，其性能與復(fù)雜程度不斷提高，各部件之間的相互關(guān)聯(lián)、耦合度也越來越密切。如果設(shè)備出現(xiàn)的微小故障不能及時被檢測、排除，將有可能造成設(shè)備失效，乃至整個生產(chǎn)線癱瘓，甚至導(dǎo)致重大的災(zāi)難性后果[1-2]。因此，各生產(chǎn)企業(yè)迫切需要一套監(jiān)測、診斷裝置，對大型機(jī)電設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、診斷，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常征兆與劣化信息,并找出故障的確切原因,及時提示工作人員采取正確的操作處理，從而有效避免故障發(fā)生，減少故障停機(jī)時間和停機(jī)損失[1-3]。

目前大型機(jī)電設(shè)備的運行參數(shù)監(jiān)測儀通常采用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，即偵測其機(jī)械振動、溫度、壓力等運行參數(shù)。由于機(jī)電設(shè)備運行時存在諧波共振、自激振動、混沌振動與分叉現(xiàn)象，采用振動監(jiān)測難以對異常征兆作出精確判斷[4]。而金屬溫度變化具有滯后性，采用溫度監(jiān)測也難以實時監(jiān)測[2]。機(jī)電設(shè)備的壓力具有非線性、時變性與非平穩(wěn)性的特點，采用壓力監(jiān)測也同樣難以實現(xiàn)故障的精確判定[4]。為此，本文提出采用監(jiān)測電氣參數(shù)技術(shù)，即采用專業(yè)的三相電能計量芯片，對大型機(jī)電設(shè)備的電氣參數(shù)實施在線監(jiān)測。將所監(jiān)測的電氣參數(shù)進(jìn)行處理、分析，再與標(biāo)準(zhǔn)值比較。最終根據(jù)其結(jié)果及變化趨勢，及時得出異常征兆信息[4]，并實施相應(yīng)的控制與預(yù)警操作，避免故障與事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

物聯(lián)大型機(jī)電設(shè)備電氣參數(shù)實時監(jiān)測與故障動態(tài)診斷裝置由多個電氣參數(shù)監(jiān)控儀與故障動態(tài)診斷中心構(gòu)成。為了確保監(jiān)控儀與故障動態(tài)診斷中心間的通信質(zhì)量以及便于工程施工，采用WIFI無線通信方式，如圖1所示。電氣參數(shù)監(jiān)控儀的功能是實時監(jiān)測、顯示機(jī)電設(shè)備的電氣參數(shù)，并進(jìn)行故障動態(tài)診斷，實行相關(guān)控制與預(yù)警操作。同時，將電氣參數(shù)無線傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，由故障動態(tài)診斷中心讀取數(shù)據(jù)。此外，可接收遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)來的控制指令，進(jìn)行相關(guān)處理。電氣參數(shù)監(jiān)控儀由電氣參數(shù)采集、嵌入式微處理器、實時時鐘、LCD顯示、WIFI無線通信與控制等模塊構(gòu)成，如圖2所示。

故障動態(tài)診斷中心的功能為讀取服務(wù)器上各個電氣參數(shù)監(jiān)控儀的電氣參數(shù)，并進(jìn)行處理、存儲以及故障動態(tài)診斷、預(yù)警。同時，可對相關(guān)電氣參數(shù)監(jiān)控儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此，故障動態(tài)診斷中心為基于服務(wù)器的電氣參數(shù)管理軟件，由VC、數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

2 主要電路設(shè)計

2.1 電氣參數(shù)監(jiān)測電路設(shè)計

電氣參數(shù)監(jiān)測是電氣參數(shù)監(jiān)控儀的重要組成部分，采用高精度三相電能計量芯片ATT7022D。該芯片由7路二階sigma-delta ADC模擬信號采樣、DSP、脈沖生成、SPI通信接口、時鐘控制電路單元等單元構(gòu)成[5]。

ATT7022D監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的電氣參數(shù)，包括A、B、C各分相與合相的電流、電壓、功率、電能以及功率因數(shù)、線頻等參數(shù)。微處理器通過SPI接口讀取該芯片的寄存器進(jìn)行運算處理，便可獲得實際電氣參數(shù)值。其電路設(shè)計如圖3所示，圖中只給出了 A相接法，而 B、C相接法與A相完全相同。

2.2 WIFI通信電路設(shè)計

WIFI無線通信采用WIFI-03A模塊，其內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)IEEE802.11協(xié)議棧、TCP/IP協(xié)議棧與WEB服務(wù)器，通過UART接口實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的交換[6]。

WIFI-03A支持透明數(shù)據(jù)傳輸模式,支持AT指令集，支持DHCP協(xié)議動態(tài)IP地址分配和DNS域名解析功能。微處理器通過串口對該模塊操作，其電路設(shè)計如圖4左上方所示。

2.3 微處理器電路設(shè)計

微處理器采用低功耗16 bit嵌入式RISC結(jié)構(gòu)的MSP430F2616芯片，集成了硬件乘法器、6路12 bit ADC轉(zhuǎn)換器、2路 12 bit DAC轉(zhuǎn)換器、16 bit定時/計數(shù)器和 4路通用串接口,存儲容量為92 KB的Flash ROM與4 KB的RAM[7]，其電路設(shè)計如圖4右方所示。

2.4 實時時鐘電路設(shè)計

為了確保電氣參數(shù)采集的實時性，采用SD2058作為系統(tǒng)的實時時鐘。該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)I2C串口與后備電池切換功能，微處理器通過該接口讀取時鐘寄存器(包括年、月、日、星期、時、分、秒等信息)[8]，其電路設(shè)計如圖4左下方所示。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 電氣參數(shù)采集子程序

微處理器從ATT7022D的電氣參數(shù)寄存器中讀取24 bit電氣參數(shù)，經(jīng)相關(guān)運算處理后，得到實際的監(jiān)測值。然后再與標(biāo)準(zhǔn)計量儀器的計量值進(jìn)行比對、修正，最后得出實際的電氣參數(shù)值。最后實測值與設(shè)備規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較以實現(xiàn)故障動態(tài)診斷。讀取A相有功功率的例程如下：

3.2 WIFI無線通信子程序

微處理器通過UART接口發(fā)送AT指令，以實現(xiàn)對WIFI模塊讀寫操作。在操作之前必須對WIFI模塊進(jìn)行相關(guān)配置，否則操作無效。下面是微處理器發(fā)送AT指令的例程：

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 電氣參數(shù)監(jiān)測儀測試

為了進(jìn)一步驗證整個裝置的工作情況，以寧波海豐塑料機(jī)械有限公司的HF1200塑料注射成型機(jī)作為其測試對象。通過RIGOL公司的6位半數(shù)字萬用表DM3064與FLUKE公司的功率分析儀NORMA 5000的測試值作為計量值，在空載與負(fù)載的情況下所監(jiān)測的電氣參數(shù)如表1所示。

4.2 WIFI通信波特率測試

在整個裝置正常運行的情況下，利用UART-WIFI配置管理程序軟件,測試WIFI模塊的波特率可高達(dá)57.6 Kb/s。

實驗表明，物聯(lián)大型機(jī)電設(shè)備電氣參數(shù)實時檢測與故障動態(tài)診斷裝置不僅實現(xiàn)了大型機(jī)電設(shè)備電氣參數(shù)的實時在線監(jiān)測、顯示、無線通信與管理，而且還實現(xiàn)了故障動態(tài)診斷與預(yù)警處理，從而有效避免了故障的發(fā)生，為“預(yù)知維修”提供了技術(shù)保障，并提高了維修質(zhì)量。此外，本裝置可同時監(jiān)控多臺機(jī)電設(shè)備，進(jìn)步提高生產(chǎn)效率。具有廣闊的應(yīng)用前景與市場前景。

表1 監(jiān)測儀的監(jiān)測值與專用設(shè)備的計量值對比表

[1]馬宏忠.電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M].北京：機(jī)械出版社,2007.

[2]徐貞禧.汽輪機(jī)設(shè)備故障診斷與預(yù)防[M].北京：中國電力出版社,2011.

[3]金立軍,錢政,關(guān)永剛.現(xiàn)代電氣檢測技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[4]史鐵林,陳勇輝,李巍華,等.提高大型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)故障診斷質(zhì)量的幾種新方法[J].機(jī)械工程學(xué)報,2003,9(39):1-10.

[5]鉅泉光電科技（上海）股份有限公司.ATT7022D用戶手冊V1.0[M].鉅泉光電科技(上海)股份有限公司,2009.

[6]東莞文勝鼎電子科技有限公司.UART串口WIFI-03A模塊用戶手冊V1.0[M].東莞文勝鼎電子科技有限公司,2010.

[7]Texas Instruments.Datasheet of MSP430F2616[EB/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f2616.pdf.

[8]深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司.SD2058技術(shù)手冊V1.0[M].深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司,2011.