朱 濤, 周天沛,2, 姜 濤, 凌啟東

(1. 徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 機電工程技術學院， 江蘇 徐州 221140； 2. 中國礦業(yè)大學信電學院， 江蘇 徐州 221008； 3. 徐州華潤電力有限公司， 江蘇 徐州 211003)

0 引 言

電路故障嚴重威脅著企業(yè)或設備的生產(chǎn)運行，一方面可以通過有效的措施避免電路故障的發(fā)生；另一方面需要有熟練的工程技術人員迅速排除電路故障，以促進生產(chǎn)安全、質(zhì)量和效率。目前，高水平的電路裝調(diào)與維修人員匱乏，然而，高校和培訓機構(gòu)使用的一些實驗設備中，又缺乏針對性的訓練模塊，通常采用物理的方法人為設置故障，如拔保險系設置斷路、用導線短接設置短路、在地與設備間串電阻設置虛接地等等。一方面，由于每個試驗臺在每一次訓練前都需要管理人員進行手工設置，繁瑣、費時，頻繁的操作會使元器件使用壽命降低，耗材使用量增加，并有可能出現(xiàn)安全隱患；另一方面，有些基本的電路故障，如保險絲的通斷等不能實時監(jiān)測，需要工作人員到現(xiàn)場逐一排除，造成訓練效率低。因此，研發(fā)一種高效、實用的電路故障管理系統(tǒng)融入到各類機電培訓設備中，對于培養(yǎng)高素質(zhì)電路裝調(diào)與維修人員至關重要[1-4]。

為解決以上問題，在實際應用中，根據(jù)常用機電設備的電路故障特點，將故障類型分為斷路、短路、接觸不良、接地四種。將通過單片機控制的繼電器、接觸器串于電氣線路或電器元件之間，再輔以必要的控制電路、輸入輸出單元，實現(xiàn)電路故障設置；每一個實驗管理器都有各自的無線接口，通過無線局域網(wǎng)與上位機通訊，輔以必要的傳感器及其外圍電路，實現(xiàn)整個實驗室電路故障設置與監(jiān)測的統(tǒng)籌管理，可以準確地把握故障設置的時機，增強故障設置的隱蔽性，讓故障設置多樣化，確保常規(guī)故障監(jiān)測的實時性，從而提高了故障管理的水平。

圖1 電路故障管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 電路故障管理系統(tǒng)的硬件設計

基于無線網(wǎng)絡的電路故障管理系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件由上位機、單片機、接口電路、通訊模塊等單元組成。如圖1所示，上位機把要設置站點的每一個故障點狀況反映在顯示屏上，并通過選擇開關發(fā)送故障設置指令，通過指示燈接收下位機的故障信息。上位機基于Modbus協(xié)議[5]通過串口與ZigBee[6]無線模塊連接，把要設置的故障信息傳送給相應站點的無線模塊進行發(fā)射和接收，再由單片機根據(jù)串口接收下來的信息去動作相應的繼電器或接觸器，并把監(jiān)測的故障信息傳至上位機，從而達到遠程故障管理的目的。

1.1 下位機整體設計

電路故障管理系統(tǒng)的下位機主要是由若干基于無線通訊的實驗管理器組成，如圖2所示，實驗管理器由基于CC2530芯片[7]的通訊模塊電路、STC89C53單片機[8]及其外圍電路、故障點選擇電路和故障監(jiān)測電路組成。

1.2 基于CC2530的通訊模塊電路

基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。這里選用具有256 KB閃存的CC2530芯片，它是TI公司專門針對2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[9]，基于CC2530的通訊模塊電路如圖3所示。

射頻部分采用巴倫電容電路和外置高增益SMA天線完成射頻的平衡不平衡轉(zhuǎn)換，并完成天線阻抗的匹配，發(fā)送距離遠，接收靈敏度高。RX和TX為串口接收和發(fā)送引腳，通過UART接口與STC89C53單片機或上位機通信，在通訊電平不匹配時，需進行RS232電平轉(zhuǎn)換。

1.3 故障點選擇電路

故障點選擇電路的功能主要是根據(jù)單片機STC89C53的P口信息，驅(qū)動相應的繼電器線圈帶電或斷電，達到該電路是短路、斷開、接觸不良和對地短路狀態(tài)的目的。在實際應用中，根據(jù)需要確定故障點個數(shù)，這里以6個為例。

如圖4所示，故障點選擇電路包括4部分，第1部分是可設通斷的開路故障點驅(qū)動電路和與故障點一一對應的具有常開觸點的開路故障點繼電器組(K11,K12,…,K16)，第2部分是接觸不良故障點驅(qū)動電路和對應的繼電器組(K21,K22,…,K26)，第3部分是對地短路的故障點驅(qū)動電路和對應的繼電器組(K31,K32,…,K36)，第4部分是1 s時鐘周期的脈沖驅(qū)動電路及其對應的繼電器(K41)。整個電路都置于實驗管理器的盒子內(nèi)，僅留出接線端子在外面。以第一個故障點為例，如果設置為斷路故障，需把此線路串接在原有線路中，讓繼電器K11、K21、K31和K41的線圈都不帶電；如果設置為短路故障狀態(tài)，需把此故障點的前后端接線端子與電氣設備中的元器件并聯(lián)，讓繼電器K11的線圈帶電，繼電器K21、K31和K41的線圈不帶電；如果設置為接觸不良故障狀態(tài)，同樣把此線路串接在原有線路中，讓繼電器K21的線圈帶電，繼電器K41的線圈周期性帶電，繼電器K11、K31的線圈不帶電，此時電路以1 s為周期時通時斷，并且接通時電路中有很大電阻；如果設置為接地故障狀態(tài)，僅需把該故障點線路的前端與原電路相接，讓繼電器K31的線圈帶電，繼電器K11、K21、K41的線圈不帶電。

1.4 故障監(jiān)測電路

故障監(jiān)測電路的功能主要是判斷電氣設備的熔斷器是處于通電狀態(tài)，還是處于斷電狀態(tài)，其原理如圖5所示，以第1個熔斷器FU1為例，當其正常通電時，根據(jù)并聯(lián)電路分流原理，在電阻R11阻值非常大時，電流基本都流經(jīng)熔斷器FU1，此時，反向并聯(lián)的發(fā)光二極管不亮，光敏電阻R1由于沒有受到光照，阻值較大，設此時其值為R1a，根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，在P1.0端口檢測到的電壓值a=5R1a/(r1+R1a)V；當因過載等原因使熔斷器FU1斷掉時，電流便會流經(jīng)大電阻R11和發(fā)光二極管，光敏電阻R1由于受到發(fā)光二極管照射，其阻值變小，設此時其值為R1b，在P1.0端口檢測到的電壓值b=5R1b/(r1+R1b)V。合理選擇電阻r1和R1，使a≥2.8 V、b≤0.8 V，從而，通過P1.0～P1.5端口檢測到的高低電平即可判斷熔斷器FU1～FU6的通斷。

2 電路故障管理系統(tǒng)的軟件設計

電路故障管理系統(tǒng)的軟件設計分為上位機監(jiān)控界面設計、通訊程序設計和系統(tǒng)管理程序設計3部分。

2.1 上位機監(jiān)控界面設計

MCGS是為工業(yè)自動化領域服務的通用計算機系統(tǒng)軟件，具有可維護性強、可視性好、操作簡便、功能完善的突出特點[10]。利用MCGS的工具箱繪制并組態(tài)如圖6所示的上位機監(jiān)控界面。

圖6 上位機監(jiān)控界面

上位機還可以將多個來源下位機的故障信息數(shù)據(jù)添加到指定的目標數(shù)據(jù)庫中的目標數(shù)據(jù)表，通過瀏覽存盤數(shù)據(jù)的方式查看歷史的故障設置數(shù)據(jù)。

2.2 通訊程序設計

(1) 系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊結(jié)構(gòu)。ZigBee無線網(wǎng)絡通常由3種節(jié)點構(gòu)成。Coordinator：用來創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡，并為最初加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配地址，每個ZigBee網(wǎng)絡需要且只需要1個Coordinator；Router：可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當成1個數(shù)據(jù)節(jié)點，還能保持網(wǎng)絡，為后加入的節(jié)點分配地址；End Device：終端節(jié)點，通常定義為電池供電的低功耗設備，一般只周期性發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)。由于在電路故障管理系統(tǒng)網(wǎng)絡中，只需要ZigBee模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能，即每個節(jié)點隨時能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，同時也能擔任其它節(jié)點的路由器，而且，所有的數(shù)據(jù)傳輸路由都是自動計算的，無需用戶干預，所以節(jié)點的配置只有Coordinator、Router[11]。

(2) 上位機通訊程序設計。上位機通信通過MCGS軟件的標準Modbus-RTU設備構(gòu)件實現(xiàn)，它必須掛接在通用串口父設備下，通用串口父設備用來設置通信參數(shù)和通信端口，其通信參數(shù)必須設置成與設備一致，否則無法正常通信。如圖7所示，要使上位機能正確操作各試驗管理器，必須正確設置標準Modbus-RTU設備構(gòu)件的采集周期、初始工作狀態(tài)設備地址、通訊等待時間、采樣次數(shù)、內(nèi)部屬性，核心工作是組態(tài)要具體操作哪些寄存器[12]。

圖7 MCGS設備窗口的標準Modbus-RTU設備構(gòu)件

(3) ZigBee無線網(wǎng)關軟件設計。在ZigBee的Cluster Tree拓撲結(jié)構(gòu)中，是由下式來確定網(wǎng)絡節(jié)點的短地址：

An=Aparent+Cskip(d)Rm+n

(1)

其中：

式中：n為網(wǎng)絡的層數(shù)； Aparent為父節(jié)點網(wǎng)絡地址；d為網(wǎng)絡深度；Lm為網(wǎng)絡最大深度；Rm為最大路由節(jié)點數(shù)；Cm為最大子節(jié)點數(shù)。

由上式計算得出的短地址，是由該設備節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡拓撲中的位置來決定的，而與其IEEE地址和Modbus地址無關。在該系統(tǒng)中，將設備節(jié)點的IEEE地址與Modbus地址綁定，從而實現(xiàn)Modbus主、從站點地址定向，利用ZigBee的應用層，通過透明傳輸?shù)姆绞竭M行標準Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，所采用的設備只是起1個通道作用，把要傳輸?shù)膬?nèi)容完好的傳到對方，不對傳輸數(shù)據(jù)作任何修改和處理，Modbus消息幀采用RTU傳輸模式，在網(wǎng)絡上的所有設備都選擇此傳輸模式，否則信息無法傳遞[13-14]。在實際應用，上位機接1個ZigBee模塊，設定為Coordinator，每個下位機接一個ZigBee模塊，設定為Router。ZigBee無線網(wǎng)關軟件的設計框圖如圖8所示。

(4)Modbus通訊程序設計。Modbus通信程序的主要功能是設置波特率、接收串口數(shù)據(jù)、解析串口接收到的數(shù)據(jù)、通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)、判斷功能命令、響應查詢命令等。當下位收到消息后，首先判斷消息中的呼叫地址是否與本機相符，如相符則根據(jù)功能碼及相關要求讀取信息，在CRC校驗無誤的前提下，去執(zhí)行相應的任務，然后向主機反饋執(zhí)行的結(jié)果，否則放棄接收此消息，繼續(xù)執(zhí)行其它應用程序。在Modbus-RTU協(xié)議模式下，前后幀之間停頓時間間隔必須大于等于3.5個字符時間、幀內(nèi)兩個字符之間最大時間間隔小于等于1.5個字符時間。下位機采用STC89C53的一個定時器計算字符間隔時間, 定時器設置為0.5個字符時間，同時設置2個變量作為字符時間計數(shù)器。由于檢測到的是兩個字符停止位之間的時間，在定時器中斷程序中,分別將這2個變量不斷累加并判斷這2個時間段是否為2.5和4.5個字符時間，并在該定時器中斷服務程序中設定幀結(jié)束標志[15-16]。寄存器的讀寫操作按如圖9所示的流程執(zhí)行。

2.3 系統(tǒng)管理程序設計

系統(tǒng)管理程序包括用戶管理模塊和考試管理模塊。用戶管理模塊是對上位機軟件的用戶進行管理的模塊。嚴格規(guī)定操作權限，不同類別的操作由不同權限的人員負責，只有獲得相應操作權限的人員，才能進行某些功能的操作。上位機軟件用戶分為兩個級別，系統(tǒng)管理員和普通用戶。系統(tǒng)管理員除了可以修改自己的密碼以外還可以添加和刪除用戶，設置故障，查看故障排除記錄等；普通用戶只能修改自己的密碼，查看故障排除記錄?？荚嚬芾砟K是對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理的模塊，可以單獨某1臺設備進行故障設置，也可以按照技能鑒定要求對全網(wǎng)所有設備進行統(tǒng)一設置，其工作流程圖如圖10所示。

3 測試與應用

本系統(tǒng)在實際實驗室建設中得到測試驗證，測試過程中將基于ZigBee的無線連接通信方式和傳統(tǒng)的雙絞線物理連接通信方式對比得出優(yōu)良的性能參數(shù)。如圖11所示的實物，在我校儀表實訓室中安裝應用，為10個儀表自動化實驗裝置通過ZigBee無線通訊模塊連接在無線網(wǎng)絡中完成各自裝置的故障設置與監(jiān)測的通信和控制功能。經(jīng)過10個網(wǎng)絡節(jié)點近一年的測試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡，即充分發(fā)揮了Modbus總線協(xié)議應用廣泛、幀格式簡單緊湊、方便數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)膬?yōu)點，又充分發(fā)揮了無線網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活、易于擴展、簡便美觀的優(yōu)點，即省去了大量網(wǎng)絡布線的工作，又方便與具有Modbus協(xié)議接口的變頻器、變送器與儀表互連，使現(xiàn)有設備的升級更加簡單快捷，通過智能的故障設置和監(jiān)測方法，為電路故障診斷與維修教學、訓練和考核提供了真實的故障現(xiàn)象和實時的故障監(jiān)測信息，達到了無損故障設置和遠程故障監(jiān)視的目的。

圖11 實驗管理器實物面板與無線通訊模塊實物

4 結(jié) 語

本文對基于無線網(wǎng)絡的電路故障管理系統(tǒng)進行了深入的研究，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控上位機與實驗管理器的無線通訊，通過ZigBee的應用層利用透明傳輸?shù)姆绞絹韨鬏敇藴实腗odbus數(shù)據(jù)幀，Zigbee的物理層、MAC層和網(wǎng)絡層不會影響到所傳輸?shù)腗odbus數(shù)據(jù)幀，從而保證了所傳數(shù)據(jù)的完整性。該系統(tǒng)為電氣設備維修保障人員的電路知識學習、操作技能和維修技能訓練提供了一種新穎的無損故障設置方法，避免了通過物理方法設置電路故障，造成電氣設備和電器元件壽命縮短和耗材增加等情況的發(fā)生，特別是在實驗室環(huán)境下，無需復雜的網(wǎng)線布置就可組網(wǎng)監(jiān)控，可隨時根據(jù)設備更新的狀況來更新電路故障數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了成本低、故障擴展性強、應用范圍廣、升級容易、便于推廣等特點，也為工業(yè)設備基于Modbus協(xié)議構(gòu)建無線網(wǎng)絡提供了可借鑒的解決方案。

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