王 捷， 凌百舟， 何瑤瑤

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

節(jié)能的意義不僅在于減小用電量，還要注意用電產(chǎn)生的效果。電機(jī)系統(tǒng)包含電機(jī)本體、電力傳動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置、系統(tǒng)終端和管網(wǎng)等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)的能量損失之和構(gòu)成了電機(jī)系統(tǒng)的總能量損失。電機(jī)系統(tǒng)的能效主要考察系統(tǒng)輸入邊界到系統(tǒng)輸出邊界的能量情況。對(duì)用電系統(tǒng)進(jìn)行能效檢測(cè)，不光要檢測(cè)系統(tǒng)輸入邊界的電量，還要檢測(cè)系統(tǒng)輸出邊界乃至各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的溫度、壓力、流量等非電量，對(duì)此進(jìn)行綜合判斷分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合節(jié)能運(yùn)行智能化控制和最低折合排碳量能源調(diào)度，使局域范圍內(nèi)的節(jié)能減排效果達(dá)到最佳、折算排碳量最低。因此，有必要對(duì)企業(yè)用電系統(tǒng)的各種電量及非電量參數(shù)進(jìn)行綜合的測(cè)量記錄，用以監(jiān)測(cè)企業(yè)的能效情況。

1 泵，風(fēng)機(jī)，空壓機(jī)的能量測(cè)試方法

以二次方律負(fù)載(泵、空壓機(jī)等)電機(jī)系統(tǒng)為例，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的能量進(jìn)行測(cè)試，其邊界范圍內(nèi)能量流程圖如圖1所示。

在圖1中，對(duì)于不同的部分有不同的能量測(cè)量方法。環(huán)節(jié)1，2需要測(cè)量電功率，包括電壓、電流、功率因數(shù)等;環(huán)節(jié)3，4則需要知道轉(zhuǎn)軸的軸功率，具體體現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。環(huán)節(jié)5為用電設(shè)備的有效功率，對(duì)其測(cè)量介紹如下。

圖1 風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)能量流程圖

對(duì)于水泵系統(tǒng)，有

式中:PYB——泵有效功率;

ρ——液體密度;

g——重力加速度;

Q ——流量;

H——泵的揚(yáng)程。

式中:p1、p2——泵入口、出口測(cè)量的壓力值;

Z1、Z2——測(cè)量點(diǎn)的高度;

V1、V2——測(cè)量點(diǎn)流速，可通過流量除以橫截面積得到。

綜合式(1)、式(2)，要獲取水泵的有效功率，需要實(shí)時(shí)測(cè)量的值有壓力和流量。

對(duì)于通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，有

式中:Q——流量;

Kp——?dú)怏w隔熱系數(shù)有關(guān);

p——通風(fēng)機(jī)的全壓。

式中:p1p、p2p——進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的靜壓;

Δp1、Δp2——進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口到管測(cè)量點(diǎn)的管路損失;

ρ1p、ρ2p——進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的氣體密度，和溫度有關(guān);

V1p、V2p——?dú)怏w流速，通過流量除以橫截面積得到。

綜合式(3)、式(4)，要獲取通風(fēng)機(jī)的有效功率，需要實(shí)時(shí)測(cè)量的值有壓力，流量和溫度。

環(huán)節(jié)6的測(cè)量方法和環(huán)節(jié)5一樣。

其他電機(jī)系統(tǒng)如皮帶機(jī)系統(tǒng)、提升機(jī)系統(tǒng)等，系統(tǒng)輸出邊界的測(cè)量值包括重力和線速度，而線速度又通過轉(zhuǎn)速和半徑計(jì)算得到。

只有同時(shí)考察系統(tǒng)輸入邊界的電功率和輸出邊界的負(fù)載功率，才能做出相應(yīng)的科學(xué)診斷和改造，有效避免大馬拉小車的情況，達(dá)到能源的最優(yōu)配置。

2 檢測(cè)裝置的模塊設(shè)計(jì)

由以上分析可知，在電機(jī)系統(tǒng)中，需要測(cè)試包括電功率、流量、壓力、溫度等電量和非電量參數(shù)。

本文提出了一種以大容量芯片STM32為核心的電量、非電量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案。STM32具有功耗低，集成功能多，執(zhí)行速度快，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)勢(shì)，其芯片內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換通道可直接對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行采集，內(nèi)置的SPI口可與外圍的芯片進(jìn)行通信，USART串口可方便的向外發(fā)送數(shù)據(jù)。該芯片的集成設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了電路板的硬件設(shè)計(jì)，可靈活應(yīng)用于各種場(chǎng)合。STM32F107更是集成了以太網(wǎng)外設(shè)，可將芯片采集和計(jì)算的數(shù)據(jù)接入企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)，為以該芯片為核心的測(cè)量裝置的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。測(cè)量裝置模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)讀取模塊設(shè)計(jì)

需要讀取的數(shù)據(jù)量有電量與溫度、壓力等非電量，包括時(shí)間信號(hào)等。

圖2 測(cè)量裝置模塊設(shè)計(jì)圖

電量計(jì)量芯片采用ATT7022B進(jìn)行測(cè)量，PT采用100 V和400 V兩種規(guī)格，CT采用5 A，將電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)等參數(shù)接入SPI總線傳輸給STM32。

溫度信號(hào)目前流行的有兩個(gè)測(cè)量方法:PT鉑電阻和熱電偶，PT鉑電阻在低溫情況下精度較高，而熱電偶適合溫度較高的場(chǎng)合。根據(jù)其特點(diǎn)，本文對(duì)兩種溫度測(cè)量方式都進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，采用接口相同的模塊化設(shè)計(jì)方式，熱電偶調(diào)理模塊與熱電阻調(diào)理模塊在工程應(yīng)用中可實(shí)時(shí)選用，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。PT100電阻用于－30°～300°范圍測(cè)量，適用于測(cè)量具有零下溫度的空調(diào)控制系統(tǒng)和一些化工領(lǐng)域中;熱電偶選用J型熱電偶，用于0～500°范圍測(cè)量，由于其測(cè)量溫度范圍較大，需加入冷端補(bǔ)償電路以保持精度。采集數(shù)據(jù)用ADS7812進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)光耦隔離接入SPI總線。

流量、壓力檢測(cè)等都屬于比較成熟的技術(shù)，直接采用現(xiàn)成的變送器即可。將4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后傳輸?shù)絊TM32芯片的AD外設(shè)讀取數(shù)據(jù)。

因?yàn)槭菍?duì)企業(yè)進(jìn)行長(zhǎng)期的能效檢測(cè)，因此需要知道所采集數(shù)據(jù)的時(shí)間信息。時(shí)鐘芯片采用DS1307，備有電池防止掉電丟失時(shí)間信息。

4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)工況，本裝置預(yù)留了SD卡，串口通信，以太網(wǎng)三種通信方式。

獲取測(cè)量數(shù)據(jù)之后，有一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者發(fā)送的過程。對(duì)于生產(chǎn)線分布分散、離控制設(shè)備較遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)通信不便的場(chǎng)合，采用SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。SD卡工作在SPI模式，利用 STM32自帶的SPI接口，最大通信速率可達(dá)18 kbps，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

串口主要用于裝置間通信，對(duì)于測(cè)量裝置不多、數(shù)據(jù)量簡(jiǎn)單的場(chǎng)合，可以滿足通信的要求。采用MAX485芯片提高數(shù)據(jù)的抗干擾能力，可加接串口轉(zhuǎn)無線通信模塊擴(kuò)展為無線通信端口。

對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備眾多的大型場(chǎng)合，如果每個(gè)電機(jī)系統(tǒng)都采用該裝置進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)十分復(fù)雜，數(shù)據(jù)量也將十分龐大，傳統(tǒng)的485通信方式無論是從傳輸距離和傳輸速率都將無法滿足要求，因此有必要引入以太網(wǎng)技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。本裝置將STM32F107的ETH端口連接到DP83848 10/100 Mb/s以太網(wǎng)物理層控制器，控制器采用MII模式，外接25 MHz晶振。采用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

本設(shè)備是節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的子項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)的非電量檢測(cè)設(shè)備能對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的非電量參數(shù)(溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)矩等)進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)測(cè)試，了解電機(jī)系統(tǒng)的能效，目標(biāo)是研發(fā)集采集、傳輸、綜合分析能量的，協(xié)調(diào)控制減少碳排量一體的設(shè)備，該設(shè)備主要是為電機(jī)系統(tǒng)群節(jié)能綜合控制系統(tǒng)配套使用，是全新的專用檢測(cè)設(shè)備。

現(xiàn)在很多項(xiàng)目包括合同能源管理，電能平衡計(jì)量，節(jié)能量計(jì)算等都需要對(duì)電量、非電量進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，本研究成果可廣泛應(yīng)用于相關(guān)綜合節(jié)能減排工程項(xiàng)目，是綜合節(jié)能系統(tǒng)的信息輸入窗口，也可為電平衡測(cè)試、節(jié)能量審計(jì)提供長(zhǎng)期在線檢測(cè)設(shè)備，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的愈加重視以及各企業(yè)能效監(jiān)控體系的建立完善，該裝置將有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］王永虹，徐煒，赫立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［2］任艷，于海勛，張磊.基于STM32的嵌入式溫度及應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.硬件縱橫，2010:17-21.