高佳歡，胡 輝，靜大鵬

(北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，電機(jī)容易出現(xiàn)故障，這會(huì)導(dǎo)致與之有關(guān)的整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，設(shè)計(jì)一套電機(jī)長(zhǎng)期通電自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)保障電機(jī)正常運(yùn)行、避免事故發(fā)生具有十分重要的意義。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)16個(gè)或16個(gè)中的任意一個(gè)或幾個(gè)電機(jī)的工作參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的參數(shù)包括：每個(gè)電機(jī)電流(A、B、C三相)、功率(有功)、電源電壓(線間)、電源頻率、累計(jì)通電時(shí)間、溫度；帶過流自動(dòng)切換功能，實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)化測(cè)試及遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等功能。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高可靠性，能夠連續(xù)不斷電通電測(cè)試。

1 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案

通過直流穩(wěn)壓電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。采用FPGA產(chǎn)生脈沖的控制信號(hào)，分別控制脈沖波形、使能信號(hào)和方向控制信號(hào)，產(chǎn)生三相電源，使電機(jī)正常工作。通過電壓、電流變送器等數(shù)據(jù)采集模塊，采集電機(jī)的電壓、電流等數(shù)據(jù)信息。輸出信號(hào)經(jīng)過線纜匯總接入到NI的集線盒中，在由標(biāo)準(zhǔn)電纜輸入到NI采集卡。上位PC機(jī)中使用LabVIEW編程驅(qū)動(dòng)采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)測(cè)量結(jié)果的顯示以及報(bào)警等功能。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)框

2 硬件設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)模塊由電源頻率檢測(cè)、電壓采集模塊、電流采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫度采集、工控機(jī)、報(bào)警、顯示、按鍵輸入等模塊構(gòu)成。硬件方案設(shè)計(jì)框圖如下圖2所示。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)框

2.1 主控制器

主控制器采用研華IPC-610L工控機(jī)，該工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱，I5六代處理器、4G內(nèi)存，并且接口豐富：4個(gè)PCI，6個(gè)COM，10個(gè)USB，2個(gè)千兆網(wǎng)口。相較于其他的控制器如單片機(jī)、FPGA、DSP等，工控機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如處理速度快、穩(wěn)定性高、防潮，防塵，防振，有一定的可擴(kuò)展性。其缺點(diǎn)為接口固定、成本相對(duì)較高。工控機(jī)的主要作用是對(duì)本次系統(tǒng)的設(shè)備及數(shù)據(jù)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集

如今數(shù)據(jù)采集技術(shù)飛速發(fā)展，由于傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)，故采用使用方便、功能齊全的數(shù)據(jù)采集卡來獲取數(shù)據(jù)[1]。本設(shè)計(jì)選用NI公司的NI-6255數(shù)據(jù)采集卡。它具有2路AO(2.86 MS/s)，80路AI(16位，1.25 MS/s)，24路DIO，PCI 多功能I/O設(shè)備以及模擬和數(shù)字觸發(fā)功能。

2.3 電流、電壓變送器

電壓變送模塊和電流變送模塊具有將工作電源、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)三者相互隔離，能將輸入的交流電壓或交流電流轉(zhuǎn)換成4～20 mA或0～5V 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，具有精度高、線性好、調(diào)試簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

使用電流變送器可以直接將被測(cè)主回路交流電流或者直流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4～20 mA恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置。本次跑合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電流變送器主要是對(duì)16個(gè)浮子的48路浮 子電流(A、B、C三相)的采集與處理。電流變送器主要是將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)過調(diào)理電路，有效值轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)。

電壓變送模塊將陀螺浮子或加表浮子的供電電壓(1KHz的三相方波電源)變送成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓。本次跑合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓變送器與電流變送器原理相似，主要是對(duì)12路電源電壓(線間)的采集與處理。電壓變送器同樣需要有效值轉(zhuǎn)換芯片以及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的監(jiān)測(cè)。電壓、電流變送器電路實(shí)物連接圖如圖3所示。

圖3 電壓、電流變送器電路實(shí)物連接

2.4 溫度采集模塊

烘箱溫度采集模塊采用DS18B20，該溫度傳感器的輸出是數(shù)字信號(hào)，且具有體積小，精度高等特點(diǎn)。浮子表面溫度采集系統(tǒng)主要采用PT1000，由于PT1000熱電阻的電阻值隨溫度變化，故將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值的變化，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和AD采樣，通過計(jì)算得到結(jié)果。

溫度采集模塊將采集的溫度值經(jīng)過RS485總線傳輸至工控機(jī)。整套系統(tǒng)由兩個(gè)用于放置烘箱的機(jī)柜和一個(gè)測(cè)量機(jī)柜共3個(gè)機(jī)柜組成，烘箱機(jī)柜分上下兩層共放置4個(gè)烘箱。烘箱機(jī)柜和測(cè)量機(jī)柜使用電纜，通過航空插頭連接。

2.5 接線盒電路

通過LabVIEW配置，將輸出的采集信號(hào)匯總接入到對(duì)應(yīng)NI的集線盒中。由標(biāo)準(zhǔn)電纜輸入到NI采集卡，在上位PC機(jī)中使用LabVIEW編程驅(qū)動(dòng)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)時(shí)顯示結(jié)果。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分使用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)采集、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示以及存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的報(bào)表打印。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量值超過設(shè)置上限值時(shí)報(bào)警，通過繼電器進(jìn)行斷電保護(hù)。此外可以在程序中控制繼電器，實(shí)現(xiàn)若干個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。

3.1 程序框圖

在程序框圖中完成通道的設(shè)置，即選擇對(duì)應(yīng)的通道采集數(shù)據(jù)，以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理和顯示，對(duì)錯(cuò)誤信息的報(bào)警處理等。程序框圖如圖4所示。

圖4 程序框

3.2 電流顯示前面板

電流顯示前面板可以設(shè)置最大、最小電流，運(yùn)行時(shí)間，采樣率等信息，通過3個(gè)波形圖表實(shí)時(shí)顯示三路輸出，便于觀察。

3.3 電壓顯示前面板

電壓顯示前面板，可以設(shè)置最大、最小電壓，運(yùn)行時(shí)間，采樣率等信息，通過3個(gè)波形圖表實(shí)時(shí)顯示三路輸出，便于觀察。

4 系統(tǒng)測(cè)試

首先對(duì)該設(shè)備的外觀進(jìn)行檢查，確保滿足需求。設(shè)備內(nèi)部應(yīng)布局合理、走線整齊、接地良好、應(yīng)無漏電等安全隱患。

用實(shí)際電源，將本電機(jī)跑合系統(tǒng)電壓檢測(cè)端和高精度儀表(WT230)同時(shí)并聯(lián)在三相電源三端同步檢測(cè)[2]，分別對(duì)0 V、20 V、40 V、55 V進(jìn)行檢定測(cè)量；串聯(lián)在三相電源單端同步檢測(cè)，分別對(duì)0 mA、20 mA、50 mA、80 mA、100 mA、200 mA、150 mA、300 mA進(jìn)行測(cè)量，通過系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)做比較計(jì)算出誤差，連續(xù)重復(fù)測(cè)試三遍，每一遍都要求達(dá)到指標(biāo)要求，完成對(duì)電壓、電流的測(cè)量。頻率計(jì)量可采用HP(安杰倫)的34401A，進(jìn)行比對(duì)標(biāo)定，每次測(cè)試1小時(shí)，重復(fù)測(cè)試3遍。均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求[3]。

同時(shí)滿足電壓量程0～75V，電壓精度0.5%；電流量程0～2 A，電流精度0.5%；功率量程0～10 W，功率精度2%；溫度測(cè)量范圍0～100 ℃；溫度測(cè)量精度±0.5 ℃的要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要控制部分以工控機(jī)為核心，操作以基于LabVIEW的上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)化測(cè)試及遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。此外，系統(tǒng)還包括電源模塊，需要為電流、電壓、功率變送器和繼電器供電以使他們正常工作。開關(guān)控制模塊連同上位機(jī)，鼠標(biāo)鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)浮子的相關(guān)控制。該系統(tǒng)精度高、輸出穩(wěn)定、滿足日常工程實(shí)踐的需要。