西安航天自動化股份有限公司　嚴(yán)勇鋒

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基于DSP的6KV電機(jī)無線測溫測振控制器

西安航天自動化股份有限公司嚴(yán)勇鋒

在電機(jī)運(yùn)行過程中，通過監(jiān)測其溫度與振動量變化，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的電機(jī)故障與事故隱患。傳統(tǒng)監(jiān)測方法是分別通過鋪設(shè)電纜，埋設(shè)溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測；通過人工手持式振動測量儀實(shí)現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的采集。本文針對某電廠輸煤系統(tǒng)6KV皮帶電機(jī)設(shè)計(jì)了一種基于DSP的無線測溫測振控制器，具備檢測精度高、響應(yīng)速度快、組網(wǎng)便捷的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)節(jié)省大量電纜。

DSP；輸煤系統(tǒng)；電機(jī)；溫度；振動

1　引言

某電廠輸煤系統(tǒng)6kV皮帶電機(jī)投入運(yùn)行已近15年，溫度檢測元件已處于產(chǎn)品生命周期未端，大量檢測元件已損壞，使得6kV電機(jī)缺乏有效溫度監(jiān)測保護(hù)裝置，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。輸煤系統(tǒng)6kV電機(jī)除碎煤機(jī)外其余都沒有測振監(jiān)測保護(hù)裝置，而碎煤機(jī)測振監(jiān)測保護(hù)裝置也只是用開關(guān)量進(jìn)入輸煤程控，不能有效監(jiān)測振動變化的趨勢，日常維護(hù)也依靠技術(shù)人員定期用測振儀點(diǎn)溫計(jì)定點(diǎn)測量，不能有效全過程監(jiān)測電機(jī)振動變化趨勢。

此次輸煤程控皮帶機(jī)測溫測振控制器是將皮帶機(jī)溫度和振動位移實(shí)時(shí)采集，通過無線設(shè)備傳輸至輸煤控制室，并增加至現(xiàn)有輸煤上位機(jī)監(jiān)控軟件中實(shí)時(shí)顯示。每臺皮帶機(jī)電機(jī)安裝測溫測振傳感器，溫度傳感器緊固在電機(jī)外殼散熱片上，安裝方便；振動傳感器套在電機(jī)基座固定螺栓上，安裝拆卸方便。從而實(shí)現(xiàn)有效加強(qiáng)皮帶電機(jī)溫度振動檢測，為燃料輸煤系統(tǒng)正常運(yùn)行提供可靠的保護(hù)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包含兩部分：現(xiàn)場級負(fù)責(zé)就地電機(jī)溫度與振動的數(shù)據(jù)采集與就地顯示；控制級負(fù)責(zé)對所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯總與處理并與原輸煤系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

根據(jù)現(xiàn)場測控點(diǎn)的特性，溫度與振動均為模擬量并且變化率高，同時(shí)被測控設(shè)備比較離散；因此為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及系統(tǒng)安裝維護(hù)的易用性，采用現(xiàn)場安裝測溫測振控制器，同時(shí)使用無線網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

每一個(gè)測控設(shè)備，分別在就地安裝具有實(shí)時(shí)顯示功能的控制器，方便現(xiàn)場巡檢人員實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀況；各測控點(diǎn)相對獨(dú)立，當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，無需整體隔離進(jìn)行維護(hù)；測控設(shè)備的位置相對分散，使用無線傳輸方式可減少不必要的線纜連接。

通過位于集控室的中央處理器（網(wǎng)關(guān)）對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集匯總，數(shù)據(jù)送到上位機(jī)，通過邏輯程序的加入實(shí)現(xiàn)對電機(jī)溫度與振動工作情況的報(bào)警功能；同時(shí)提供上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的查看功能，方便維護(hù)人員在設(shè)備故障時(shí)進(jìn)行排查。

3　測溫測振控制器

該控制器采用TMS2812DSP為中央處理器，包含溫度采集模塊、振動檢測模塊、LCD液晶顯示、無線通信模塊、EEPROM存儲模塊、報(bào)警模塊等。通過溫度傳感器、振動傳感器將電機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至測溫測振器AD采樣電路，DSP將測得的數(shù)據(jù)通過LCD顯示屏就地顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過無線傳輸至網(wǎng)絡(luò)中繼器，并最終傳輸至上位機(jī)。而EEPROM存儲模塊可將控制器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄并存儲，便于工作人員查詢、維修。

3.1DSP最小系統(tǒng)

TMS320F2812是TI公司應(yīng)用較廣的一款產(chǎn)品，具有豐富的外設(shè)接口。數(shù)據(jù)及程序存儲量及AD采樣精度都較TMS320F2407有提高。由于F2812具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，且其最小系統(tǒng)的搭建較為快捷和精準(zhǔn)，可以簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

TMS320F2812最小系統(tǒng)包括電源電路、仿真接口電路、通訊接口電路等。其中電源電路采用TPS70351電源芯片，該芯片可以輸出1.8V電壓供DSP內(nèi)核使用，亦可產(chǎn)生3.3V電壓供DSP外設(shè)及IO引腳使用。同時(shí)，該芯片具有較完善的散熱設(shè)計(jì)，保證設(shè)備整體的可靠性。

3.2溫度采集模塊

溫度采集模塊包含溫度傳感器、調(diào)理電路、AD采樣電路。其中溫度傳感器采用PT100熱電阻，該型傳感器測溫范圍廣、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，在自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。調(diào)理電路可將溫度傳感器輸出的0V---0.4V電壓信號轉(zhuǎn)換成0V—3V，便于AD采樣電路采集。AD采樣電路則選用了高精度采樣芯片AD7192，該芯片具備較強(qiáng)的抗干擾、抗浪涌能力，同時(shí)可達(dá)到24位的采樣精度。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，溫度傳感器精度存在一定漂移，因此，本文設(shè)計(jì)了一種溫度補(bǔ)償電路，該電路采用ADT7310溫度補(bǔ)償芯片，ADT7310是一款采用標(biāo)準(zhǔn)窄體SOIC封裝的高精度數(shù)字溫度傳感器。它包含一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)13位ADC，可以0.0625度的分辨率對溫度進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)字化。其分辨率可以通過在配置寄存器設(shè)置一個(gè)位來更改到16位、0.0078度的分辨率。

3.3振動檢測模塊

振動檢測模塊包含一個(gè)恒流源發(fā)生器、高精度采樣回路、調(diào)理電路等組成。在檢測過程中，恒流源產(chǎn)生一個(gè)微弱電流驅(qū)動振動傳感器，當(dāng)被測物體開始振動后，經(jīng)傳感器檢測，可將振動值轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出。而后，該電流經(jīng)過高精度采樣回路，在采樣電阻上產(chǎn)生壓降，轉(zhuǎn)換為DSP可采集的0-3V電壓信號。至此，即可完成振動狀態(tài)的檢測。

3.4LCD液晶顯示模塊

為便于巡檢人員觀察與記錄，本控制器具備LCD液晶顯示模塊。液晶顯示模塊可將被測物體的溫度值、振動值實(shí)時(shí)顯示，操作人員亦可通過矩陣鍵盤，進(jìn)行報(bào)警閥值的設(shè)定。

3.5無線通信模塊

本文采用ZIGBEE芯片和DSP芯片相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了基于ZIGBEE技術(shù)的無線通信模塊。該模塊集成了符合ZIGBEE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)及多點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型和MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

ZIGBEE芯片采用CC2530，通過搭建外圍電路，使其與DSP芯片的最小系統(tǒng)相連接。DSP將采集到的溫度、振動數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議打包，經(jīng)過無線鏈路，傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)亦可將控制指令通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至就地的測溫測振控制器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警閥值的遠(yuǎn)程設(shè)定和地址設(shè)定。

因電廠輸煤現(xiàn)場較廣，建筑物遮擋較為嚴(yán)重，有些無線節(jié)點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)可靠通信。本文通過DSP控制核心，將中繼路由功能集成在DSP最小系統(tǒng)中，解決了無線信號遮擋的問題。

3.6EEPROM存儲模塊

在6KV電機(jī)運(yùn)行過程中，其溫度和振動的變化需要記錄并形成記錄。本文采用AT24C512非易失性存儲芯片，可將測溫測振控制器的地址信息、被測物體的溫度信息、振動信息等過程數(shù)據(jù)存儲，可在上位機(jī)或LCD顯示模塊中，顯示歷史數(shù)據(jù)域和歷史曲線，便于后期對被測設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估，亦可作為故障分析時(shí)的歷史參考數(shù)據(jù)。

3.7報(bào)警模塊

當(dāng)測得的溫度數(shù)據(jù)、振動數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的報(bào)警閥值時(shí)，需要在就地和遠(yuǎn)方設(shè)備上進(jìn)行報(bào)警輸出。本文采用聲光報(bào)警方式，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。報(bào)警模塊包含兩路繼電器、蜂鳴器和交流指示燈。DSP與繼電器之間采用ADUM1400磁偶隔離技術(shù)，可防止繼電器誤動作。兩路繼電器分別連接蜂鳴器和交流指示燈，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，DSP驅(qū)動繼電器動作，隨后繼電器開啟蜂鳴器和交流指示燈，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的輸出。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的以TMS320F2812為基礎(chǔ)的無線測溫測振控制器，實(shí)現(xiàn)了6KV電機(jī)溫度和振動數(shù)據(jù)的高精度采集和無線數(shù)據(jù)傳輸。該控制器結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、便于組網(wǎng)，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力物力。本控制器也可廣泛應(yīng)用于自動化等其他領(lǐng)域。