西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李玉川 張 敏 李東珂

西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 黃國兵

隔離開關(guān)控制器故障錄波與波形分析系統(tǒng)的研究

西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 李玉川 張 敏 李東珂

西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 黃國兵

作為隔離開關(guān)智能組件的重要組成部分，其工作電機(jī)對智能組件的作用非常重要，但由于電機(jī)在運(yùn)行的過程中會出現(xiàn)各種故障，可能降低智能設(shè)備的可靠性。為了減少工作電機(jī)的故障率，本文旨在研究一種故障錄波與波形分析系統(tǒng)，為尋找故障原因提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)以ARM處理器為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用鐵氧體存儲器對CPU存儲進(jìn)行擴(kuò)展；采用VC++集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)波形分析軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取與波形顯示。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)符合預(yù)期，并投入工程使用。

隔離開關(guān)；故障錄波；波形分析

0 引言

隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的工作電機(jī)發(fā)生的故障形式多樣，包括過載、堵轉(zhuǎn)、短路、啟動超時(shí)。造成故障的因素有機(jī)械故障、負(fù)荷急劇增加、氣溫等，但不論哪種原因，工作電機(jī)發(fā)生故障后均導(dǎo)致電氣設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。工作電機(jī)發(fā)生故障的原因究竟是什么，需要監(jiān)測并記錄其運(yùn)行參數(shù)，通過對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，找出改進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的方案。為此，本文研究了一種隔離開關(guān)控制器故障錄波與波形分析系統(tǒng)，通過測量電機(jī)的運(yùn)行電流，包括啟動電流和穩(wěn)態(tài)電流，記錄電機(jī)保護(hù)動作和電機(jī)啟動時(shí)波形，并設(shè)計(jì)波形分析軟件供專業(yè)人員對電機(jī)故障進(jìn)行定量分析。

1 系統(tǒng)硬件組成

隔離開關(guān)由工作電機(jī)帶動刀閘進(jìn)行分、合、停操作，電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與隔離開關(guān)的開合對應(yīng)，由此實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的自動控制。

圖1 隔離開關(guān)控制器功能模塊圖

如圖1所示，在電機(jī)運(yùn)行的過程中，隔離開關(guān)智能組件的控制核心不斷地對電機(jī)交流信號進(jìn)行采樣，采樣信號經(jīng)交流信號調(diào)理電路傳輸給處理器。錄波啟動條件是通過判斷采樣信號是否越限，越限啟動錄波；此外，電機(jī)啟動瞬間存在較大的沖擊電流，這種沖擊就相當(dāng)于短路狀態(tài)，所以在電機(jī)啟動時(shí)，自動進(jìn)行錄波。錄波數(shù)據(jù)均存儲在非易失性鐵氧體存儲器中。

1.1 控制核心的選擇

控制電路的核心器件是美國德州儀器公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能的微控制器，LM3S9D96針對工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)動控制、工廠自動化和控制、電力能源控制等，不易受干擾，可低功耗運(yùn)行。同時(shí)該處理器還在片內(nèi)集成了網(wǎng)絡(luò)控制芯片、支持IEEE1588硬件時(shí)鐘同步，片內(nèi)程序存儲器滿足應(yīng)用要求，選用該芯片可以很大程度簡化硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 電機(jī)三相交流信號調(diào)理電路

圖2 電機(jī)三相交流信號調(diào)理電路

如圖2所示，電機(jī)三相交流信號調(diào)理電路由濾波電路、微型精密互感器和電壓跟隨電路等部分組成。設(shè)備通過檢測電機(jī)上的電流信號，將采集到的電流信號經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)理后傳送到處理器，處理器將接收到的信號進(jìn)行比較和分析，判斷電機(jī)的狀態(tài)，以此輸出控制信號[1]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，便會啟動錄波程序，超過一定故障允許時(shí)限，處理器及時(shí)切斷供電電源，停止繼電器動作，保護(hù)電機(jī)。

1.3 存儲器擴(kuò)展電路

圖3 存儲器擴(kuò)展電路

如圖3所示，本系統(tǒng)采用兩片鐵氧體存儲器FM25H20對處理器進(jìn)行存儲擴(kuò)展，這樣一方面可以不占用處理器的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，另一方面避免因處理器損壞引起數(shù)據(jù)丟失。FM25H20采用3.3V電源對其供電，主控CPU通過8位I/O接口分時(shí)訪問FM25H20的指令寄存器、地址寄存器與數(shù)據(jù)寄存器，完成對其內(nèi)部存儲器的訪問。執(zhí)行錄波程序時(shí)，記錄電機(jī)啟動時(shí)3條波形，每條有750個(gè)周波，記錄電機(jī)故障時(shí)8條波形，每條50個(gè)周波，波形信息可以長期保存。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 與控制器通信協(xié)議設(shè)計(jì)

波形分析軟件通過Modbus協(xié)議與控制器通信，將存儲的錄波信息傳輸給上位機(jī)。針對工作電機(jī)故障分析軟件與控制器之間的交互信息特點(diǎn)，本系統(tǒng)在遵循Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了0x72-0x75四條命令，分別實(shí)現(xiàn)召喚電機(jī)工作狀態(tài)、召喚控制器配置參數(shù)、召喚故障錄波曲線、下載控制器配置參數(shù)等功能。

（1）召喚電機(jī)工作狀態(tài)（0x72）

存儲器記錄的電機(jī)工作狀態(tài)信息包括：儲能電機(jī)保護(hù)動作次數(shù)、儲能電機(jī)啟動次數(shù)、儲能電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、保護(hù)裝置復(fù)位次數(shù)。

（2）召喚控制器配置參數(shù)（0x73）

控制器的配置參數(shù)包括：Modbus設(shè)備標(biāo)識地址、通信波特率編碼、電流校準(zhǔn)系數(shù)、工作電機(jī)額定電流、工作電機(jī)額定功率、過載電流定值、過載電流積分定值、堵轉(zhuǎn)電流定值、堵轉(zhuǎn)時(shí)間定值、短路電流定值、短路時(shí)間定值、工作電機(jī)單次啟動最長時(shí)間，總共12個(gè)參數(shù)，41個(gè)字節(jié)，折合21個(gè)Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)寄存器。

（3）召喚故障波形信息（0x74）

召喚工作電機(jī)故障波形信息的報(bào)文比較復(fù)雜。控制器記錄波形信息包括故障錄波曲線8條和啟動錄波曲線3條，每條曲線都包括事件發(fā)生的時(shí)間、事件類型等曲線概貌信息。

（4）下載控制器配置參數(shù)（0x75）

下載控制器配置參數(shù)的命令的格式采用了Modbus協(xié)議寫命令幀的格式，該命令與0x73命令的響應(yīng)幀格式相同?？刂破魇盏皆撁詈?，修改裝置中的配置參數(shù)，并寫入Flash閃電存儲器，并向工作電機(jī)故障分析軟件返回操作成功或失敗的結(jié)果[2]。

圖4 人機(jī)交互界面

2.2 數(shù)據(jù)的管理

工作電機(jī)故障分析軟件處理的數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)啟動波形信息、裝置配置信息、故障波形信息三種。為了方便數(shù)據(jù)信息管理和數(shù)據(jù)分析處理，本軟件設(shè)計(jì)了三個(gè)類CProcessWaveData、CConfigData和CFaultWaveData分對別上述三種數(shù)據(jù)對象進(jìn)行管理[3]。其中，CProcessWaveData管理電機(jī)最后3次啟動過程的波形，每個(gè)波形由750周交流信號組成；CConfigData管理裝置的配置信息，包括2串口、電機(jī)的基本參數(shù)等；CFaultWaveData管理電機(jī)最后8次故障錄波的波形信息，每個(gè)故障錄波的波形由50周交流信號組成。

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖4為本系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面，使用VC++集成環(huán)境開發(fā)，采用MFC基于對話框的應(yīng)用程序框架設(shè)計(jì)。圖形界面使用應(yīng)用程序框架中消息處理函數(shù)OnPaint和設(shè)備環(huán)境DC提供繪圖函數(shù)來實(shí)現(xiàn)[4],并實(shí)現(xiàn)了曲線繪制、曲線放大/縮小、以及曲線選擇、平移和錄波文件的保存/讀取等操作。曲線繪制是在對話框中開辟專門的曲線顯示區(qū)域，使用應(yīng)用程序框架中WM_PAINT消息處理函數(shù)OnPaint來繪制[5]；曲線放大/縮小可以通過改變時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)，用戶根據(jù)錄波曲線的信息量，可選擇一個(gè)畫面顯示2、4、10、20、40個(gè)周波進(jìn)行曲線放大/縮小操作；曲線平移主要是修改當(dāng)前顯示曲線中起始周波號m_nStartWaveNum的值，曲線顯示少于40周波的波形時(shí)，用戶可以向前/向后平移波形；控制器儲存8條故障曲線，3條啟動曲線，用戶選擇曲線時(shí)，在List控件中選擇相應(yīng)的波形事件時(shí)會生成NM_CLICK消息，該消息的處理函數(shù)OnClickEventList獲取用戶選擇的條目號，然后調(diào)用RefreshCurve函數(shù)刷新畫面；為準(zhǔn)確分析故障原因，本軟件采用MFC推薦的串向化文件訪問方法進(jìn)行波形信息的文件的存儲訪問，以便現(xiàn)場技術(shù)人員將獲取的故障波形數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室讓電機(jī)專家對對電機(jī)現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

3 結(jié)論

本文根據(jù)隔離開關(guān)工作電機(jī)故障情況，介紹了錄波系統(tǒng)的硬件和軟件組成，并對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，可以正常工作，提高了故障分析的效率和準(zhǔn)確性，有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1]丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[2]許波.ModBus通信協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[M].安徽合肥:安徽大學(xué),2010.

[3]夏云龍.最新Visual C++使用手冊[M].電子工業(yè)出版社,2012,6.

[4]席慶,等.Visual C++ 6.0使用編程技術(shù)[M].中國水利電力出版社,2009.

[5]張杰.VC++繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線研究[M].安徽淮南:安徽理工大學(xué),2010.

李玉川（1992—），陜西榆林人，西安工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院2015級研究生在讀，研究方向：機(jī)電控制。