保 慧，梁海峰

（江蘇工程職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇南通 226006）

基于Zigbee的煤礦井下三相異步電機無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

保 慧，梁海峰

（江蘇工程職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇南通 226006）

采用TI公司的CC2530芯片將三相異步電動機監(jiān)控點設計成無線節(jié)點，實時采集電機的電壓、電流參數，并經過功率計算，通過Zigbee網絡將數據傳送給監(jiān)控計算機，實現煤礦電機的實時監(jiān)控，確保電機的正常運行。

Zigbee；三相異步電機；無線監(jiān)控；CC2530

0 前言

近幾年，隨著國民經濟的快速發(fā)展和基礎設施建設步伐的加快，能源需求增長加速，煤炭產量也迅速增長，煤礦生產最重要的問題之一便是安全問題[1]。三相異步電機作為煤礦企業(yè)生產的重要電氣設備，被廣泛應用在煤礦生產的各個環(huán)節(jié)，不可避免地會發(fā)生故障，對煤礦生產安全運行蘊藏潛在的威脅。因此，實現煤礦三相異步電機的實時監(jiān)控，及時準確地掌握煤礦三相異步電機的運作狀態(tài)，確保其安全運行，具有十分重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

Zigbee無線傳感器網絡由分布式傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點組成，基于Zigbee的煤礦三相異步電機無線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，電機網絡節(jié)點通過傳感器完成煤礦三相異步電機的電壓、電流參數的測定，并經過功率計算，將測得的數據通過Zigbee網絡傳送給協(xié)調器，同時根據協(xié)調器發(fā)來的指令實現對電機的控制。Zigbee網絡的協(xié)調器通過串口和用戶監(jiān)控中心進行通信，將采集到的電機的參數數據傳送給監(jiān)控計算機，同時接受監(jiān)控計算機的控制指令，并通過Zigbee網絡把質量發(fā)給相應的電機網絡節(jié)點，從而實現煤礦電機功率的實時監(jiān)控。

圖1 煤礦三相異步電機無線監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2 硬件設計

煤礦井下三相異步電機無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由上位機主站和異步電機網絡節(jié)點兩部分組成。上位機主站是由一臺工控機或個人電腦與協(xié)調器通過串口相連；異步電機網絡節(jié)點則是由測量異步電機參數的傳單元、電源模塊、微處理器、繼電器模塊和通信模塊組成。

異步電動機網絡節(jié)點結構框圖如圖2所示，用內置精確的低偏置線性霍爾電流傳感器ACS712進行相電流采集；利用磁補償原理、在電氣上高度絕緣的霍爾電壓傳感器HNV-025A進行相電壓采集，兩者采集的信號經信號調理電路處理后通過A/D轉換后送給微處理器；利用感應線圈測量轉子頻率測量電機的轉差率，從而根據異步電機能流圖計算出電機功率；無線射頻模塊負責與協(xié)調器的通信，發(fā)送電機的參數，并接受電機的控制命令；繼電器模塊實現對電機的通斷控制。

圖2 異步電動機網絡節(jié)點結構框圖

微處理器選用TI公司的CC2530單片機，采用增強型8051MCU，支持IEEE 802.15.4協(xié)議[3]。該芯片硬件方面，內部自帶ADC，集成高性能的RF收發(fā)器及出色的低功耗功能。

圖3 天線匹配電路圖

由于礦井下數據傳播路徑會遇到阻隔，所以CC2530無線射頻模塊選用外接型鞭狀天線增強信號的強度。無線RF模塊電路選用無巴倫的匹配電路，天線匹配電路如圖3所示，電路中C18、C19、C20、C21、C22、L2和 L3的阻抗相匹配，滿足射頻模塊輸入/輸出阻抗為50 Ω的匹配要求。

由于常用的電源電壓為5 V，而CC2530的工作電壓為3.3 V，選用NCV1117ST33T3G芯片，它是一款低壓降可調穩(wěn)壓芯片，可以把輸出電壓調整到3.3 V，電源電路原理如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

協(xié)調器硬件設計和異步電動機網絡節(jié)點類似，也是選擇CC2530為控制芯片的無線射頻單元與其他節(jié)點通過Zigbee網絡進行數據通信，而工控機和CC2530通過串口進行數據通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括上位機監(jiān)控軟件設計、協(xié)調器軟件設計及異步電動機網絡節(jié)點軟件設計三部分。上位機監(jiān)控軟件設計包括監(jiān)控界面的設計及數據庫設計，監(jiān)控界面查看三相異步電機的各種參數及運行情況，數據庫存儲三相異步電機運行參數。協(xié)調器主要負責管理整個無線網絡，檢查整個網絡中各個節(jié)點連接運行情況，接收各節(jié)點傳來的電機參數數據并送給工控機，同時接收工控機控制指令并發(fā)送給相應的節(jié)點，程序流程圖如圖5所示；異步電動機網絡節(jié)點負責采集電機參數信息并將數據轉送給協(xié)調器，主要負責與協(xié)調器建立網絡、接收控制指令、發(fā)送數據參數并計算電機的功率，程序流程圖如圖6所示。

圖5 協(xié)調器程序流程圖

圖6 網絡節(jié)點程序流程圖

4 結語

本文采用CC2530為主控芯片的設計異步電動機監(jiān)控無線節(jié)點，構建基于Zigbee的無線監(jiān)控網絡，實現了對煤礦井下三相異步電動機的無線監(jiān)控。實驗結果表明：本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠實時采集電機的電壓、電流參數，并經過功率計算，實現煤礦電機功率的實時監(jiān)控，確保電機的正常運行。

［1］韓濤，黃友銳，曲立國.基于Zigbee的煤礦風機無線監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.煤礦機械，2014，35（1）：218-220.

［2］惠陽，曹現剛，張懷珠.基于XC164CS單片機的煤礦三相異步電機功率監(jiān)控系統(tǒng)［J］.煤礦機械，2014，35（1）：194-196.

［3］ 龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現［J］.電子測量技術，2012（6）：33-36.

Wireless Monitoring System of Three-Phase Asynchronous Motor Based on Zigbee in Mine

BAO Hui，LIANG Hai-feng
（School of Mechanical Engineering of Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong221006，China）

The three-phase asynchronous motor monitoring points using CC2530 of TI designed wireless nodes.The wireless nodes form a wireless network by Zigbee technology.So，the wireless monitoring system of three-phase asynchronous motor in mine is completed.The system is capable of real-time acquisition of the motor voltage and current parameters，and the real-time monitoring of coal mine motor power after power calculation，to ensure the normal operation of the motor.

Zigbee；three-phase asynchronous motor；wireless communication；CC2530

TM343.2

：A

：1009－9492(2014)12－0207－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.053

保 慧，女，1978年生，江蘇南通人，碩士，講師。研究領域：機電一體化技術。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：王智圣)

2014－06－25